基于USB主機和ZigBee的無線音響系統
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:
?。?)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。
?。?)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。
?。?)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。
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