茴香豆豆
发表于 2007-7-17 09:36:55
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基于USB主机和ZigBee的无线音响系统
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现阶段家用音响系统采用有线方式布线复杂、不易改动，而采用蓝牙技术无线传输音频数据系统成本过高。基于以上问题，设计了以TI 公司的MSP430F1611 为主控芯片，控制USB 接口芯片CH375读取U 盘内mp3 音频文件，并将其数据流通过ZigBee 网络传送给分节点，最后经音频解码芯片VS1003 解码输出的低成本、低功耗无线音响系统，将嵌入式USB 主机和ZigBee 技术创新性地应用于家用音响系统的无线数据传输。) b( Z& }/ z+ ?8 C% L* ]2 z
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1 引言' B1 o2 I3 }+ \7 ~8 r S, Y1 `
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近几年来，随着嵌入式系统技术、网络通讯技术以及家电产业的迅猛发展，信息技术正逐渐渗透到人们的生活当中，智能家居设计也渐渐进入视野。然而，现阶段的智能家居设计，多采用有线设计，存在着系统结构复杂、不易改动等缺点。1 {: v. r: G1 J+ B" d4 h
* o0 ^$ t4 u) v6 v6 w& x 本文设计了一种基于嵌入式USB 主机的家用无线音响系统，可以实现在不连接PC 机的情况下直接读取U盘或mp3 中的音频数据，并通过ZigBee 无线网络传输给家庭内部各个位置上的分节点，实现家庭音响的无线播放mp3 的功能，将人们从繁杂的布线中解放出来。
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2 系统结构: |& Q y2 w0 ?. K# J
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系统主要由嵌入式USB 主机和ZigBee 分节点播放器组成。而USB 主机又是系统设计的关键，主要由USB接口、MCU 控制器、ZigBee 主节点和电源模块等组成，系统结构如图1 所示。0 W3 f) N5 J* M8 T+ N3 A
/ z9 M; V5 F+ X. p+ m) I 系统处理流程为：本地端控制器MSP430 通过CH375 按照相应的USB 协议，读取U 盘或MP3 中的音频文件，并将其传输给ZigBee 主节点。ZigBee主节点利用ZigBee 网络将音频信号发送给位于不同位置的ZigBee 分节点。分节点接收到信号后，经过处理，将数字信号传送给音频解码芯片，经解码后实现音频输出。; n; ~ x$ @) G
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0 Q/ a6 y& b1 W. y& D! U. L0 A ^0 \+ Y图1 系统结构。" W ]5 j3 F) a% |
) M* c# W: }1 T* g 3 系统硬件设计
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3.1 USB 接口部分
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8 `3 c- l: C: R) E, @9 J/ l3 I$ U 3.1.1 CH375 介绍4 G* K3 M$ g# e$ Z* W" z
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CH375 是一个USB 总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。( N' r- }- y+ Q3 |" ~) H1 D
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CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，通常情况下，外部单片机不需要编写固件程序，就可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。
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3.1.2 U盘接口电路设计8 g) @- k, B9 ?6 k2 ^5 i
) ]8 S) a. f2 C- u# c 由于CH375 和单片机采用并行方式通信传输速度快，编程简单，所以本设计采用并行连接方式。/ ^* D+ G& Q' v4 I, Z9 N
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图2 CH375 并行接口电路。
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9 R! q- x/ C( {3 j/ K 在CH375 芯片的复位期间，TXD 引脚用于选择通讯接口。如果CH375 在复位期间检测到TXD 引脚为低电平则启用并行接口。硬件连接方式如下：CH375的8 位双向数据总线D7~D0、中断输出引脚INT#、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#以及地址输入引脚A0 分别接MSP430 的P3 口、P1.0、P4.4、P4.5、 P4.6 脚，由于在本系统中CPU 只有一片CH375 扩展，所以片选输入引脚CS#接地选通，接口电路如图2 所示。
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3.2 主控制器与ZigBee 无线网络部分
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本系统采用MSP430F1611 构成控制模块，采用CC2430 为核心的无线收发模块，核心芯片之间采用SPI 方式通讯，MSP430F1611 采用主模式，CC2430采用从模式。
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4 y7 b- u% I) ^' } MSP430 系列单片机是美国TI 公司推出的超低功耗16 位混合信号处理器，具有精简指令集结构（RISC）以及丰富的寻址方式；拥有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块；大量的寄存器以及片内数据存储器可参加多种运算；在8MHz 晶振工作时，指令速度可达8MIPS.这些特点即保证了可编制出高效率的源程序，又为系统的单片解决方案提供了极大的方便[3].5 g/ q7 _& J# L5 k! R
( v& H2 }$ q) J" R CC2430 的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kbps,可以实现多点对多点的快速组网。更重要的是，CC2430 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。
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* W4 R2 o5 [( B$ Y6 g: u. }+ J MSP430 在低功耗节能方面表现突出，ZigBee 的特色之一也是低功耗，选用这两种芯片，可以保证二者在功耗方面的一致性，有利于系统应用，同时也能保证工作的稳定性。! m2 n5 F5 D0 V+ l# D
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在电路设计中，利用MSP430 的P3 口接收CH375 读取的U 盘数据，并通过DMA 方式将数据传送给USART1,后者将数字音频信号以SPI 方式传送给ZigBee 主节点。
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3.3 音频解码部分: S9 V9 O! S8 \+ T2 L, h* A- F; R
& @+ k, N1 {; {1 z( T8 w, J T 在接收端，ZigBee分节点接收到数字信号后，以SPI方式将数据串行传输给解码芯片VS1003,此时CC2420为主模式，VS1003为从模式。
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$ {. m' [4 B/ E. ~0 q VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP,5K的指令RAM,0.5K的数据RAM,串行的控制和数据输入接口， 4个通用IO口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器。
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% e: u( _5 A+ A5 e VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，比特流被解码后通过一个数字控制器到达一个18位过采样多位ε-ΔDAC.通过串行总线控制解码器。
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除了基本的解码，在用户RAM中它还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。$ b' V% @* u2 e3 U# A
# I; _. d- E) Y9 e/ [! _2 T7 V' A2 [ VS1003与单片机连接的引脚主要有7个，分别为SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS.
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L: t- u% i) J5 A/ {: A* _ 只有保证它们与单片机正确可靠的连接，才能对VS1003 进行有效的操作与控制[4] .CC2430 与VS1003的连接关系如图3所示。
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图3 CC2430 与音频解码芯片连接电路图。8 H9 N# h4 ]3 w6 i7 ^# o! f
: \( h H$ _+ S5 T2 b0 U 4 协议的实现$ M @3 V' B! Q9 ?1 B
! ?, a( n+ c* r- [) Y 4.1 USB 协议
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% g% W5 D4 {- c T5 U9 r USB 设备就是能够通过USB 来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。每个USB 设备都具有表明自身能力和所需资源的描述符。在设备第一次连接到主机上之后，首先要接受主机枚举，提供描述符。在得到主机的允许之后，设备就可以分得的USB 带宽，进行数据传输了。6 `! g0 O; v: y5 K( J1 M7 S
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系统通过简单的数据线上的电平变化检测到USB设备的接入与移出，接着主机和外设就按照事先约定的顺序执行一系列的信息交换，也就是主机复位设备->主机给设备供电->设备通过缺省的地址0 与主机通信->主机给设备分配地址->主机请求设备的一系列功能和设备描述符…，因此，在程序中，通过顺序的编程和中断的调度，就可以完成主机系统的标准的USB 活动。以上是主机软件的第一部分，主要实现对外设的配置，读取外设的信息，从而判断该设备属于USB 的哪一类，并确定下一步选用哪个特定的程序加以支持。0 L6 M L5 U/ I: G- O4 F% G
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单片机系统中，限于系统的性能和要求，只需要支持某几个特定的类就可以了。本系统是一个在USBFlash 存储器中的应用，这个USB 主机需要支持的就是USB 的Mass Storage 类，那么程序就要实现USB的Mass Storage 类所规定的各种命令。主机的程序流程如图4 所示。
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! N) R% W9 j) G图4 USB 主机的软件流程。
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整个主机协议的实现主要可以分为以下三点：
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①单片机与接口芯片通信的实现。②主机最底层数据包发送的实现。③请求命令的实现。1,2,3,层层递进，一级比一级高级。5 @1 w# v/ T9 f0 t' k1 S7 k4 O
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4.2 ZigBee 协议# ]5 Y; i3 x% l$ t R
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ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4标准之上，该标准制定了物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范。ZigBee联盟则定义了其上的网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务规范。
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0 o% }7 B, W. I5 x, c% k, d 物理层提供了基本的物理无线通信能力；MAC层提供设备间的可靠性授权和单跳通信连接服务；ZigBee协议栈的核心部分在网络层，主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能；应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用对象。APS提供了网络层和应用层之间的接口；ZDO负责所有设备的管理，如初始化设备的发现和建立安全关系等功能。
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ZigBee采用自组织方式组网，支持星形网、网状网和簇状网等多种拓扑结构。由于在智能家居中多采用星型拓扑结构， 因而本论文主要对星型拓扑进行组网和测试。
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5 u; [1 X5 s& C4 h* x" X 5 系统软件设计/ {- Y; Z+ w! ?. R& A/ |2 s
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5.1MSP430控制读取U盘数据8 h9 n' h% z( M* [# `2 I1 }& A
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当设备连接到USB总线时，固件执行USB处理程序，处理程序的流程如下：9 W( c& N; q$ t2 c6 q# l0 c
1 e$ n8 X+ e& S. {7 w4 \3 l （1）FAT文件系统初始化。. [! x ~ ~: P) [9 V) U ?6 |( C" i
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本系统采用的U盘是满足FAT文件格式的，了解FAT文件系统是系统软件设计的基础。: `* \# E3 O1 B6 T- G
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FAT文件系统有固定的格式，主要分为主引导扇区、引导扇区、文件目录表和数据区等几个部分。MP3文件的内容存放在数据区，但为了得到数据区的地址，首先要得到主引导区和引导扇区的内容；文件目录表中记录着文件的信息，如文件名称、类型和簇号等，可以通过得到文件目录表来判断分区中MP3格式文件的数目和每个文件的簇号，这些都为正确地定位MP3文件打基础。1 b7 ]- x. h! s7 i3 K
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（2）获得MP3文件个数，在这个程序中仅仅查询根目录下MP3格式的文件个数。2 t7 x8 m% z1 d8 z
' I; i$ ]! a8 C% D3 e) I FAT文件系统的文件目录表中包含分区中所存的文件信息，每个文件的文件目录表占用32个字节空间，该空间的第9、10、11位为文件的扩展名，可以把每个文件的扩展名和MP3格式文件的扩展名相比，进而得到总的MP3格式文件个数。
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3 n0 g w* C9 B. E- B& I: h （3）通过文件目录表找到MP3文件所在的簇号之后就可以得到文件的物理地址，进而读取MP3文件的帧头并获得该文件的信息。MP3文件由三部分组成，首先是ID3V2,然后是数据帧，最后为ID3V1,数据帧的帧头包含MP3的采样率信息，将这些信息通过无线方式传送到接收端，进而对解码器和接口模块进行配置，这样就可以读取文件了。
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6 j7 q' J) k" @% W6 ~: P( p 5.2 ZigBee 网络传输的软件设计
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ZigBee 无线通信网络由三种节点组成：协调器（ZC）、路由器（ZR）和终端设备（ZD）。协调器是网络的中心节点，在本文中即为ZigBee 主节点；路由器负责网络内信息帧的路由；终端设备连接解码器，实现音频输出。
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网络组建过程主要包括以下三个过程：0 e6 {: {5 m1 E/ {
# n! T+ J& I9 d& b3 ` （1）网络初始化过程：节点初始化后， 扫描信道检查网络是否存在；（2）主节点配置网络过程：产生协调器网络节点，开始配置网络；（3）从节点入网过程：终端设备节点申请加人协调器节点或路由节点。: j! l0 @0 j+ Y1 S* ]5 r
4 d& d7 O2 o& y# g8 ~ 网络协调器启动后，其它普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点若成功地接收一个子节点，或者子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报[8].图5 是节点加入及脱离网络握手示意图。
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图5 节点及脱离网络握手示意图。; I# x! }1 S% h9 t2 g4 h
" w* c: g1 V: O' ~. W 5.3 音频解码部分的软件说明% s' @% R" T7 F. r* G4 M
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（1）MP3播放器初始化处理子函数。: H$ C7 B2 w' f0 r+ {+ o) T) S
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初始化程序完成对VS1003的PLL、MP3解码器和AUDIO接口初始化，设定控制器的时钟和采样率，开启MP3中断等工作。
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（2）MP3播放子程序。. s$ P9 E$ o' ~5 _2 U( K
7 k8 h- o# K5 D$ o6 P+ n( @ 找到MP3文件并且配置完MP3解码器和AUDIO接口后，就可以播放MP3了。播放MP3的过程就是按照MP3解码器的请求，把接收到的MP3数据传输到解码器的输入缓冲区的过程。+ Q' x7 a. D. ~& b; f# _
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6 结语
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本设计借助嵌入式USB 主机和ZigBee 无线通信技术，为家用音响系统的设计提供了一种灵活、方便的无线解决方案，该系统具有良好的可扩展性和实用价值。相信随着智能家居产业的发展和ZigBee 无线通讯技术的不断完善，ZigBee 技术将越来越好地融合在智能家居系统的设计中。
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5 H/ H; b! O+ i; Y- p0 K4 ^ 本文作者创新点：将嵌入式USB 主机和ZigBee 技术创新性地应用于家用无线音响系统，实现了音频数据通过ZigBee 网络的无线传输，实验证明，系统设计合理，方便扩展，价格低廉，是一种有效的解决方案。 |
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