基于USB主機和ZigBee的無線音響系統 （二）

　4 協議的實現

　　4.1 USB 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。在得到主機的允許之后，設備就可以分得的USB 帶寬，進行數據傳輸了。

　　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->主機給設備供電->設備通過缺省的地址0 與主機通信->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Mass Storage 類，那么程序就要實現USB的Mass Storage 類所規定的各種命令。主機的程序流程如圖4 所示。

圖4 USB 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：

　　①單片機與接口芯片通信的實現。②主機最底層數據包發送的實現。③請求命令的實現。1,2,3,層層遞進，一級比一級高級。

4.2 ZigBee 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）和媒體接入控制層（MAC）規范。ZigBee聯盟則定義了其上的網絡層（NWK）、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）和應用對象。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。

　　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。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和MP3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。

　　5.2 ZigBee 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。

　　（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，為家用音響系統的設計提供了一種靈活、方便的無線解決方案，該系統具有良好的可擴展性和實用價值。相信隨著智能家居產業的發展和ZigBee 無線通訊技術的不斷完善，ZigBee 技術將越來越好地融合在智能家居系統的設計中。

　　本文作者創新點：將嵌入式USB 主機和ZigBee 技術創新性地應用于家用無線音響系統，實現了音頻數據通過ZigBee 網絡的無線傳輸，實驗證明，系統設計合理，方便擴展，價格低廉，是一種有效的解決方案。