ZigBee 是一種低功耗、低成本的新型短距離無線通信

開放性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它工作頻段靈活 ， 使用的頻段分別為

2 。 4 GHz 、868 M Hz （ 歐洲） 及 915 M Hz （ 美國） ，均為免執(zhí)照頻段; 傳輸速率為 250 kbp s ， 有效傳輸距離為 10 ～

75 m 。通過在發(fā)射端加功率放大器還可以實現(xiàn)更遠距離

的通信。

ZigBee 技術(shù)的低成本、低功耗特點 ，使其廣泛地應(yīng)用

到庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工業(yè)過程控制、災(zāi)害地區(qū)監(jiān)測、生物監(jiān)測和監(jiān)督、定位及消防安全等領(lǐng)域。雖然實現(xiàn)

語音通信不是 ZigBee 聯(lián)盟最初的目標(biāo) ，但是 ，在許多領(lǐng)域

（ 如消防搶險） 中沒有語音通信功能 ，將使其應(yīng)用受到很大的局限。本文正是考慮到這一點 ，并考慮到 ZigBee 理論

通信速率為 250 kp s ，實際速率也能滿足語音通信要求的

情況 ，充分利用本方案所選的 MCU 的性能特性 ， 以及很少的外圍器件 ，很好地實現(xiàn)了語音通信。

1 總體方案構(gòu)架

ZigBee 語音通信系統(tǒng)的架構(gòu)為： 以嵌入式處理器和

射頻發(fā)射芯片為核心 ，輔以外圍的放大與濾波電路實現(xiàn)語音通信。總體框圖如圖 1 所示。

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圖 1 語音通信系統(tǒng)總體框圖

按功能分 ，主要包括以下幾部分：

語音前置放大器： 主要實現(xiàn)對麥克風(fēng)接收的語音電信號進行放大處理。

語音前置濾波器： 完成對高頻電磁波的濾出 ，消除部

分干擾 ，減小語音的失真。

嵌入式處理器： 發(fā)送語音時 ，完成對語音模擬電信號

的采集 ，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>數(shù)字信號 ，并打包成數(shù)據(jù)幀 ，加上必要的幀頭 ，發(fā)送到射頻收發(fā)器。接收語音時 ，讀取射頻收發(fā)器緩存器的數(shù)據(jù) ， 并進行 D/ A 變換 ， 發(fā)送到語音接收

電路。

射頻收發(fā)器： 完成數(shù)據(jù)的收/ 發(fā) ，接收/ 發(fā)送該設(shè)備的

數(shù)據(jù) ，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式處理器。

語音后置濾波器： 對經(jīng)過 D/ A 變換的語音信號濾波 ，得到所需的語音信號。

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語音后置放大器： 對經(jīng)過濾波以后的語音信號放大 ，

最后輸出到耳機 ，實現(xiàn)最終的語音通信。

2 硬件電路實現(xiàn)

2 。 1 器件選型

嵌入式處理器選用A Tmega128L單片機。ATmega128L

是 At mel 公司推出的低功耗、高性能 MCU 。其內(nèi)核為

AV R ，具有先進的 RISC 架構(gòu) ， 內(nèi)部具有 133 條功能強大

的指令系統(tǒng) ，且大部分指令是單周期; 具有 2 個 8 位定時

器/ 計數(shù)器和 2 個具有比較/ 捕捉寄存器的 16 位定時器/

計數(shù)器 ，2 通道位數(shù)可編程 PWM 通道 ，8 路 10 位 A/ D 轉(zhuǎn)

換器 ，主/ 從 SPI 串行接口 ，可編程串行通信接口以及片內(nèi)精確的模擬比較器等。CPU 可工作在 IDL E 、POWER2

SAV E 、POWERDOWN 、STAND YB Y 等幾種省電模式。

A Tmega128L 的軟件結(jié)構(gòu)也是針對低功耗而設(shè)計的 ，具有

內(nèi)外多種中斷模式;豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)設(shè)計中查

詢的需要 ，可以方便地設(shè)計出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序、上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測 ， 工作電壓為 2 。 7 ～

5 。 5 V 。該系統(tǒng)設(shè)計可以充分利用其 8 路 10 位 A/ D 轉(zhuǎn)換

器和 2 通道位數(shù)可編程 PWM 通道 ，實現(xiàn)語音信號的 A/ D

轉(zhuǎn)換和 D/ A 轉(zhuǎn)換 ， 從而省去獨立的 A/ D 轉(zhuǎn)換器和 D/ A

轉(zhuǎn)換器 ，且成本更加低廉 ，系統(tǒng)更加精簡 ，更加穩(wěn)定可靠。

同時 ，考慮到該 MCU 的低功耗特點 ， 可以使系統(tǒng)一次工作更長的時間。

無線發(fā)射器選用 Chipcon 公司的 CC2420 。CC2420 的

主要特點： 具有 2 Mchips/ s 直接擴頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和

250 kbps 的有效數(shù)據(jù)速率; 適合簡化功能裝置和全功能裝

置操作; 低電流消耗（接收 19 。 7 mA ，發(fā)射 17 。 4 mA） ; 低

電源電壓要求（ 使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時 2 。 1～3 。 6 V ，使用

paper @mesnet. com. cn （投稿專用） 2007 年第 3 期 Microcontrollers & Embedded Systems 77

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外部電壓調(diào)節(jié)器時 1 。 6 ～2 。 0 V） ; 可編程輸出功率; 獨立

的 128 字節(jié)發(fā)射、接收數(shù)據(jù)緩沖器; 電池電量可監(jiān)控。

放大電路及濾波器電路的放大器選用 L MV324 。

L MV324 （ 四通道） 放大器在 2 。 7 V 以下消耗的最大供電電流為120 μA ，在5 V 下一般只消耗100 μA ，較同級器件的功耗低 20 % ，而且價格低廉 ，該系統(tǒng)每個設(shè)備需要 4 個

運算放大器 ，充分利用該器件。

2 。 2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

語音傳輸系統(tǒng)的硬件電路如圖 2 所示 ，連接麥克風(fēng)的放大器是一個簡單的反向放大器。增益通過 R2 和 R3 控

制（ G = R3 / R2 ） ; R4 給麥克風(fēng)提供電壓 ，C1 阻止直流成分

輸入到放大器; R4 和 R5 給放大器提供合適的偏置; R11

和 C9 構(gòu)成一個簡單的一級低通濾波器。另外 ，R5 可以在放大器輸出短路的情況下 ，對放大器起保護作用。語音接

收電路由 5 級低通 Chebychev 濾波器和 1 級電壓跟隨器構(gòu)成。濾波器電路由兩個相互交錯的 2 級 Chebychev 濾

波器（ R6 、R7 、R8 、C2 、C5 和 R8 、R9 、R10 、C3 、C6） 和一個無源濾波器（ R10 ，C7） 構(gòu)成。這 3 個濾波器的截止頻率彼此稍微有點錯位 ，這樣可以限制整個濾波電路通帶的紋波。整個電路的截止頻率設(shè)置在4 000 Hz ，電壓跟隨器用來防止電路從輸出獲得反饋。

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3 軟件實現(xiàn)

3 。 1 發(fā)送端軟件實現(xiàn)

發(fā)送端軟件主要完成語音電壓信號的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換 ，并

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圖 2 語音傳輸系統(tǒng)硬件電路

將數(shù)據(jù)按照 ZigBee 協(xié)議規(guī)定的最大幀長度打包。本

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系統(tǒng)采取每幀 84 字節(jié) ，并按照用戶要求發(fā)送到特定網(wǎng)

絡(luò)設(shè)備。A Tmega128L 的主頻是8 M Hz ，ADC 時鐘采取

64 分頻 ， 每次轉(zhuǎn)換需要 13

個 ADC 周期 ， 完成一次轉(zhuǎn)換需要 112 μs ; 采用單次轉(zhuǎn)換模式 ，如果按照 8 k Hz 采樣 ， 則每次采樣時間是

125 μs ; 采用定時器 T/ C1 ，

則每到 125 μs 產(chǎn)生一次中

斷 ，并在中斷處理程序中讀取A/ D轉(zhuǎn)換的值 ， 同時啟動下一次轉(zhuǎn)換。發(fā)送端程序流

程如圖 3 所示。 圖 3 發(fā)送端程序流程

3 。 2 中間層軟件實現(xiàn)

發(fā)送端獲取了 A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果 ，并存儲于所開設(shè)的

緩存中; 中間層在發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 將存于緩存的數(shù)據(jù)按照

ZigBee 協(xié)議規(guī)定的格式 ，加上網(wǎng)絡(luò)層 MAC 層和物理層的

幀頭 ，將數(shù)據(jù)通過 SPI 總線發(fā)送到射頻發(fā)射芯片的發(fā)送

FIFO 中。ZigBee 設(shè)備有兩種尋址方式 ， 分別通過 64 位

的 IEEE 地址和16 位的網(wǎng)絡(luò)地址來尋找網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。一般來說 ， IEEE 地址是固定的 ， 而網(wǎng)絡(luò)地址則是在組網(wǎng)時隨

機分配的。因此要對特定設(shè)備通

信 ，必須用 IEEE 地址 ，但是在進行語音通信時 ， 為了簡化傳輸數(shù)

據(jù) ，一般采用 16 位網(wǎng)絡(luò)地址尋址。這就需要在第一次通信時知

道 IEEE 地址的前提下 ， 獲取設(shè)

備的網(wǎng)絡(luò)地址; 以后采用網(wǎng)絡(luò)地

址通信。這部分工作通過 Chip2

con 的 ZigBee 協(xié)議棧實現(xiàn)。程序

功能實現(xiàn)流程如圖 4 所示。接收

數(shù)據(jù)時 ，首先射頻發(fā)射芯片監(jiān)聽信道中的數(shù)據(jù) ， 通過判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送該設(shè)備。如果是 ， 則讀取

該數(shù)據(jù)到接收 FIFO ， 然后觸發(fā) ，

通過 SPI 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到

MCU ; 通過 MCU 處理 ，去掉各層