基于IEEE802.1 5.4/ZigBee的語音通信系統(tǒng)

ZigBee是ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎(chǔ)上指定的一種低速無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)技術(shù)規(guī)范。其主要目標(biāo)是以簡單靈活的協(xié)議構(gòu)建一種布置簡易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、設(shè)備成本低、能量消耗小的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4 GHz、868 MHz及915 MHz，均為免執(zhí)照頻段；傳輸速率為250 kbit·s-1，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(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的通信。ZigBee技術(shù)具有多跳傳送(Muhi-hop Relay)機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能好、布設(shè)容易以及具有自組織與自修復(fù)能力。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(shí)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)域中沒有語音通信功能，將使其應(yīng)用受到較大局限；另一方面，在有緊急需求和不易布置環(huán)境下，ZigBee具有其他通信技術(shù)難以替代的優(yōu)勢，如能利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音傳輸則具有較大的實(shí)用價值；同時，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數(shù)據(jù)正是聲音傳感應(yīng)用的基本要求，所以文中針對IEEE802.15.4/ZigBee的應(yīng)用環(huán)境，并考慮到ZigBee理論通信速率為250 kbit·s-1，實(shí)際速率也能滿足語音通信要求的情況，提出實(shí)現(xiàn)語音通信的研究課題。并且充分利用本方案所選MCU的性能特性，以及較少的外圍器件，很好地實(shí)現(xiàn)了語音通信。

1 硬件方案

1.1 方案總體架構(gòu)

該系統(tǒng)總體架構(gòu)為：語音處理功能遠(yuǎn)程端MSP430單片機(jī)作為發(fā)送端時，片上的ADC完成從麥克風(fēng)采樣，把輸入的語音信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后發(fā)送，而近程端MSP430片上的DAC則把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為聲音信號再由喇叭播放。方波輸出功能的實(shí)現(xiàn)則以近程端作為發(fā)送端，發(fā)送控制命令給遠(yuǎn)程端，遠(yuǎn)程端接收到控制命令后，輸出占空比可調(diào)的方波信號。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)半雙工通信下的雙向通信。數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過以CC2420為核心的RF前端完成，外圍附加放大與濾波電路。該平臺的原理框圖如圖1所示。

前置放大器完成對咪頭微弱信號的放大，以便與ADC的滿度測量范圍相匹配，提高信噪比；前置低通濾波器濾除高于采樣頻率1/2的信號，即堆疊信號，以減小語音失真；嵌入式處理器完成數(shù)據(jù)處理及發(fā)送接收；射頻收發(fā)器CC2420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。后置低通濾波器對經(jīng)過D/A變換的語音信號濾波，還原語音信號。采用低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)放設(shè)計成二階有源濾波電路。音頻放大器對經(jīng)過濾波的語音信號放大，提高負(fù)載能力，輸出到揚(yáng)聲器，最終實(shí)現(xiàn)無線語音通信。電路外圍元件少，電壓增益可調(diào)。

1.2 器件選型

MSP430是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機(jī)，方案選用MSP430F168，功耗電流已達(dá)到μA級。CPU內(nèi)核功能強(qiáng)大：16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴(kuò)的數(shù)據(jù)地址總線，在8MHz時可達(dá)125ns的指令周期，具有16個快速響應(yīng)中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內(nèi)外圍功能模塊：12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12內(nèi)包括采樣/保持功能的ADC內(nèi)核、轉(zhuǎn)換存儲邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時序電路。具有8個外通道和4個內(nèi)通道，高達(dá)采樣速率200 kbit·s-1，且具有多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，其具有48 kB閃存和2 kB的RAM，用于存儲采集數(shù)據(jù)。

射頻芯片采用挪威Chipcon公司的CC2420。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能工作在ISM免費(fèi)頻帶上，工作頻率為2.4 GHz。具有2 Mchip·s-1直接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和250 kbit·s-1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；低電源電壓要求。可編程輸出功率；獨(dú)立的128 Byte發(fā)射、接收數(shù)據(jù)緩沖器。芯片具有良好的性能，尤其是極低的電流消耗和封裝尺寸，完全滿足無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備體積小、功耗小、成本低的設(shè)計要求。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。許多單片機(jī)都集成了SPI控制器，可以方便地與CC2420配合使用。

基于單片機(jī)MSP430和無線射頻芯片CC2420的SPI通信，通過設(shè)計單片機(jī)的SPI寄存器驅(qū)動CC2420。處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(qū)。CC2420與處理器的連接使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。MSP430F168的SPI是全雙工的，因此當(dāng)通過SIMO向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，SOMI接口同時也在接收數(shù)據(jù)。