1、基于嵌入式USB主機和ZigBee技術的無線音響系統計算機系統應用2010年第19卷第8期基于嵌入式USB主機和ZigBee技術的無線音響系統潘峰楊順何偉(遼寧工程技術大學電子與信息工程學院遼寧葫蘆島1251O5)摘要:關鍵詞:現階段家用音響系統采用有線方式布線復雜,不易改動,而采用藍牙技術無線傳輸音頻數據系統成本過高.基于以上問題,設計了以TI公司的MSP430F1611為主控芯片,控制USB接口芯片CH375讀取U盤內rap3音頻文件,并將其數據流通過ZigBee網絡傳送給分節點,最后經音頻解碼芯片VS1003解碼輸出的低成本,低功耗無線音響系統,將嵌入式USB主機和ZigBee技術創新性

2、地應用于家用音響系統的無線數據傳輸.嵌入式USB主機;ZigBee;CH375:MSP430;智能家居WirelessSoundSystemBasedonEmbeddedUSBHoSTDeviceandZigBeeTechnologyPANFeng,YANGShun,HEWei(DepartmentofElectronicandInformationEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Huludao125105,China)Abstract:Currently,thewiredmodeinhouseholdaudiosystemiscomplexan

3、ddifficulttochange,whereasitcoststoomuchtouseBluetoothtotransmitaundiodata.Basedontheseissues,wedesignalow?coSt,low-powerwirelessaudiosystemwhichusesTI'SMSP430F161lasthemasterchiptocontroltheUSBinterfacechipCH375toreadmp3audiofilesinsideaUdisk,andtransmitsthedatastreamsthroughZigBeenetworktothes

4、ub?node,thendecodeandoutputthesignalbyaudiodecoderchipVS1003.ItinnovativelyusesembeddedUSBHOSTandZigBeetechnologyindomesticsoundsystemandachievesthewirelesstransmissionofaudiodata.Keywords:embeddedUSB?HOSTdevice;ZigBee;CH375;MSP430;smarthome1引言近幾年來,隨著嵌入式系統技術,網絡通訊技術以及家電產業的迅猛發展,信息技術正逐漸滲透到人們的生活當中,智能家居設

5、計也漸漸進八視野.然而,現階段的智能家居設計,多采用有線設計,存在著系統結構復雜,不易改動等缺點【ll.本文設計了一種基于嵌入式USB主機的家用無線音響系統,可以實現在不連接PC機的情況下直接讀取U盤或mp3中的音頻數據,并通過ZigBee無線網絡傳輸給家庭內部各個位置上的分節點,實現家庭音響的無線播放mp3的功能,將人們從繁雜的布線中解放出來.收稿時間:200911-25;收到修改稿時間:2009-12-3134系統建設SystemConstruction2系統結構系統主要由嵌入式USB主機和ZigBee分節點播放器組成.而USB主機又是系統設計的關鍵,主要由USB接口,MCU控制器,Zig

6、Bee主節點和電源模塊等組成,系統結構如圖1所示.系統處理流程為:本地端控制器MSP430通過CH375按照相應的USB協議,讀取U盤或MP3中的音頻文件,并將其傳輸給ZigBee主節點.ZigBee主節點利用ZigBee網絡將音頻信號發送給位于不同位置的ZigBee分節點.分節點接收到信號后,經2010年第19卷第8期計算機系統應用過處理,將數字信號傳送給音頻解碼芯片,經解碼后實現音頻輸出.圖1系統結構3系統硬件設計3.1USB接口部分3.1.1CH375介紹CH375是一個USB總線的通用接口芯片,支持USBHOST主機方式和USBDEVlCE/SE設備方式.在本地端,CH375具有8位數

7、據總線和讀,寫,片選控制線以及中斷輸出,可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線上.CH375的USB主機方式支持常用的USB全速設備,外部單片機可以通過CH375按照相應的USB協議與USB設備通訊.CH375還內置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專用通訊協議的固件,通常情況下,外部單片機不需要編寫固件程序,就可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB存儲設備(包括USB硬盤/USB閃存盤/U盤)【2】.3.1.2U盤接口電路設計由于CH375和單片機采用并行方式通信傳輸速度快,編程簡單,所以本設計采用并行連接方式.CH375并行接口電路在CH375芯片的復

8、位期問,TXD引腳用于選擇通訊接口.如果CH375在復位期間檢測到TXD引腳為低電平則啟用并行接口.硬件連接方式如下:CH375的8位雙向數據總線D7DO,中斷輸出引腳INT#,讀選通輸入引腳RD#,寫選通輸入引腳WR#以及地址輸入引腳A0分別接MSP430的P3口,P1.O,P4.4,P4.5,P4.6腳,由于在本系統中CPU只有一片CH375擴展,所以片選輸入引腳CS#接地選通,接口電路如圖2所示.3.2主控制器與ZigBee無線網絡部分本系統采用MSP430F1611構成控制模塊,采用CC2430為核心的無線收發模塊,核心芯片之間采用SPI方式通訊,MSP43OF1611采用主模式,CC

9、2430采用從模式.MSP430系列單片機是美國Tl公司推出的超低功耗16位混合信號處理器,具有精簡指令集結構(RISC)以及豐富的尋址方式:擁有高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊:大量的寄存器以及片內數據存儲器可參加多種運算:在8MHz晶振工作時,指令速度可達8MIPS.這些特點即保證了可編制出高效率的源程序,又為系統的單片解決方案提供了極大的方便l3J.CC2430的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性.利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kbps,可以實現多點對多點的快速組網.更重要的是,CC2430只需極少外部元器

10、件,性能穩定且功耗極低.MSP430在低功耗節能方面表現突出,ZigBee的特色之一也是低功耗,選用這兩種芯片,可以保證二者在功耗方面的一致性,有利于系統應用,同時也能保證工作的穩定性.在電路設計中,利用MSP430的P3口接收CH375讀取的U盤數據,并通過DMA方式將數據傳送給USART1,后者將數字音頻信號以SPI方式傳送給ZigBee主節點.3.3音頻解碼部分在接收端,ZigBee分節點接收到數字信號后,以SPI方式將數據串行傳輸給解碼芯片VSl003,此時CC2420為主模式,VS1003為從模式.VSl003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA/MIDI音頻解碼和A

11、DPCM編碼芯片,其擁SystemConstruction系統建設35徊廚廚.廚計算機系統應用2010年第19卷第8期有一個高性能低功耗的DSP處理器核VSDSP,5K的指令RAM,0.5K的數據RAM,串行的控制和數據輸入接口,4個通用IO1=1,一個UART口:同時片內帶有一個可變采樣率的ADC,一個立體聲DAC以及音頻耳機放大器.,VS1003通過一個串行接口來接收輸入的比特流,比特流被解碼后通過一個數字控制器到達一個18位過采樣多位一ADAC.通過串行總線控制解碼器.除了基本的解碼,在用戶RAM中它還可以做其他特殊應用,例如DSP音效處理.VS1003與單片機連接的引腳主要有7個,分別

12、為SO,SI,SCLK,/XCS,/XRESET,DREQ,/XDCS.只有保證它們與單片機正確可靠的連接,才能對VS1003進行有效的操作與控制141.CC2430與VS1003的連接關系如圖3所示.P00SOP02SIPO一3SCLKP1-5CSIESETNxRESETPl-6DREOPl7xDCS/BSYNCCC2430VS1003圖3CC2430與音頻解碼芯片連接電路圖4協議的實現4.1USB協議USB設備就是能夠通過USB來發送和接收數據,從而實現一定功能的實體.每個USB設備都具有表明自身能力和所需資源的描述符.在設備第一次連接到主機上之后,首先要接受主機枚舉,提供描述符.在得到主

13、機的允許之后,設備就可以分得的USB帶寬,進行數據傳輸了【5】.系統通過簡單的數據線上的電平變化檢測到USB設備的接入與移出,接著主機和外設就按照事先約定的順序執行一系列的信息交換,也就是主機復位設備一>主機給設備供電一>設備通過缺省的地址0與主機通信一>主機給設備分配地址>主機請求設備的一系列功能和設備描述符,因此,在程序中,通過36系統建設SystemConstruction順序的編程和中斷的調度,就可以完成主機系統的標準的USB活動.以上是主機軟件的第一部分,主要實現對外設的配置,讀取外設的信息,從而判斷該設備屬于USB的哪一類,并

14、確定下一步選用哪個特定的程序加以支持.單片機系統中,限于系統的性能和要求,只需要支持某幾個特定的類就可以了.本系統是一個在USBFlash存儲器中的應用,這個USB主機需要支持的就是USB的MassStorage類,那么程序就要實現USB的MassStorage類所規定的各種命令.主機的程序流程如圖4所示.圖4USB主機的軟件流程整個主機協議的實現主要可以分為以下三點:單片機與接口芯片通信的實現.主機最底層數據包發送的實現.請求命令的實現.1,2,3,層層遞進,一級比一級高級.4.2ZigBee協議ZigBee協議棧建立在IEEE802.15.4標準之上,該標準制定了物理層(PHY)D媒體接入

15、控制層(MAC)規范.ZigBee聯盟則定義了其上的網絡層(NWK),應用2010年第19卷第8期計算機系統應用層(APL)以及安全服務規范.物理層提供了基本的物理無線通信能力;MAC層提供設備間的可靠性授權和單跳通信連接服務;ZigBee協議棧的核心部分在網絡層,主要實現節點加入或離開網絡,接收或拋棄其他節點,路由查找及傳送數據等功能:應用層包括應用支持子層(APS),ZigBee設備對象(ZDO)U應用對象.APS提供了網絡層和應用層之間的接口;ZDO負責所有設備的管理,如初始化設備的發現和建立安全關系等功能【6】.ZigBee采用自組織方式組網,支持星形網,網狀網和簇狀網等多種拓撲結構.

16、由于在智能家居中多采用星型拓撲結構,因而本論文主要對星型拓撲進行組網和測試.5系統軟件設計5.1MSP430控制讀取U盤數據當設備連接到USB總線時,固件執行USB處理程序,處理程序的流程如下:(1)FAT文件系統初始化.本系統采用的U盤是滿足FAT文件格式的,了解FAT文件系統是系統軟件設計的基礎.FAT文件系統有固定的格式,主要分為主引導扇區,引導扇區,文件目錄表和數據區等幾個部分.MP3文件的內容存放在數據區,但為了得到數據區的地址,首先要得到主引導區和引導扇區的內容;文件目錄表中記錄著文件的信息,如文件名稱,類型和簇號等,可以通過得到文件目錄表來判斷分區中MP3格式文件的數目和每個文件

17、的簇號,這些都為正確地定位MP3文件打基礎.(2)獲得MP3文件個數,在這個程序中僅僅查詢根目錄下MP3格式的文件個數.FAT文件系統的文件目錄表中包含分區中所存的文件信息,每個文件的文件目錄表占用32個字節空間,該空間的第9,10,11位為文件的擴展名,可以把每個文件的擴展名NMP3格式文件的擴展名相比,進而得到總的MP3格式文件個數.(3)通過文件目錄表找到MP3文件所在的簇號之后就可以得到文件的物理地址,進而讀取MP3文件的幀頭并獲得該文件的信息.MP3文件由三部分組成,首先是ID3V2,然后是數據幀,最后為ID3V1,數據幀的幀頭包含MP3的采樣率信息,將這些信息通過無線方式傳送到接收

18、端,進而對解碼器和接口模塊進行配置,這樣就可以讀取文件了f7】.5.2ZigBee網絡傳輸的軟件設計ZigBee無線通信網絡由三種節點組成:協調器(zc),路由器(ZR)和終端設備(ZD).協調器是網絡的中心節點,在本文中即為ZigBee主節點:路由器負責網絡內信息幀的路由:終端設備連接解碼器,實現音頻輸出.網絡組建過程主要包括以下三個過程:(1)網絡初始化過程:節點初始化后.掃描信道檢查網絡是否存在;(2)主節點配置網絡過程:產生協調器網絡節點,開始配置網絡;?(3)從節點入網過程:終端設備節點申請加人協調器節點或路由節點.網絡協調器啟動后,其它普通節點加入網絡時,只要將自己的信道設置成與現

19、有的協調器使用的信道相同,并提供正確的認證信息,即可請求加入網絡.一個節點若成功地接收一個子節點,或者子節點成功脫離網絡,都必須向協調器匯報【8】.圖5是節點加入及脫離網絡握手示意圖.圖5節點及脫離網絡握手示意圖5.3音頻解碼部分的軟件說明(1)MP3播放器初始化處理子函數初始化程序完成對VS1003的PLL,MP3解碼器和AUDIO接口初始化,設定控制器的時鐘和采樣率,開啟MP3中斷等工作.SystemConstruction系統建設37計算機系統應用2010年第19卷第8期(2)MP3播放子程序找到MP3文件并且配置完MP3解碼器和AUDIO接口后,就可以播放MP3了.播放MP3的過程就是按照MP3解碼器的請求,把接收到的MP3數據傳輸到解碼器的輸入緩沖區的過程.6結語本設計借助嵌入式USB主機和ZigBee無線通信技術,