基于USB主機和ZigBee的無線音響系統 （一）

　1 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，智能家居設計也漸漸進入視野。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。

　　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。

　　2 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、ZigBee 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

　　3.1 USB 接口部分

　　3.1.1 CH375 介紹

　　CH375 是一個USB 總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設備方式。在本地端，CH375 具有8 位數據總線和讀、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）。

　　3.1.2 U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。

圖2 CH375 并行接口電路。

　　在CH375 芯片的復位期間，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D7~D0、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、P1.0、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，MSP430F1611 采用主模式，CC2430采用從模式。

　　MSP430 系列單片機是美國TI 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[3].

　　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VS1003,此時CC2420為主模式，VS1003為從模式。

　　VS1003是由荷蘭VLSI公司出品的一款單芯片的MP3/WMA/MIDI音頻解碼和ADPCM編碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP,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IO口，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ε-ΔDAC.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[4] .CC2430 與VS1003的連接關系如圖3所示。

圖3 CC2430 與音頻解碼芯片連接電路圖。