基于IEEE802．1 5．4／ZigBee的语音通信系统 无线, 通信, 处理器, 语音, 开发

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摘要 提出一种基于IEEE802．15．4的无线传输方案，该方案基于Chipcon公司开发的一款符合ZigBee标准的低功耗射频芯片CC2420，设计了以MSP430为处理器、CC2420芯片为无线通信芯片的无线语音通信系统。使用的外围器件少，实现了短距离无线语音传输和方波输出的双向数据传输，并通过正弦波实验进行代码调试，具有成本低、音质好的优点。
关键词 IEEE802．15．4；Zigbee；无线语音通信；双向传输

ZigBee是ZigBee联盟在IEEE802．15．4定义的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)基础上指定的一种低速无线个域网(LR-WPAN)技术规范。其主要目标是以简单灵活的协议构建一种布置简易、数据传输可靠、设备成本低、能量消耗小的短距离无线通信网络。ZigBee工作频段灵活，使用的频段分别为2．4 GHz、868 MHz及915 MHz，均为免执照频段；传输速率为250 kbit·s-1，有效传输距离为10～75 m。通过在发射端加功率放大器还可以实现更远距离的通信。ZigBee技术具有多跳传送(Muhi-hop Relay)机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。广泛地应用到库存管理、产品质量控制、工业过程控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域。虽然实现语音通信不是ZigBee联盟最初的目标，但是，在许多领域中没有语音通信功能，将使其应用受到较大局限；另一方面，在有紧急需求和不易布置环境下，ZigBee具有其他通信技术难以替代的优势，如能利用ZigBee网络进行语音传输则具有较大的实用价值；同时，在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求，所以文中针对IEEE802．15．4／ZigBee的应用环境，并考虑到ZigBee理论通信速率为250 kbit·s-1，实际速率也能满足语音通信要求的情况，提出实现语音通信的研究课题。并且充分利用本方案所选MCU的性能特性，以及较少的外围器件，很好地实现了语音通信。

1 硬件方案
1．1 方案总体架构
该系统总体架构为：语音处理功能远程端MSP430单片机作为发送端时，片上的ADC完成从麦克风采样，把输入的语音信号经过转换后发送，而近程端MSP430片上的DAC则把接收到的数据转化为声音信号再由喇叭播放。方波输出功能的实现则以近程端作为发送端，发送控制命令给远程端，远程端接收到控制命令后，输出占空比可调的方波信号。进而实现半双工通信下的双向通信。数据的收发则通过以CC2420为核心的RF前端完成，外围附加放大与滤波电路。该平台的原理框图如图1所示。

前置放大器完成对咪头微弱信号的放大，以便与ADC的满度测量范围相匹配，提高信噪比；前置低通滤波器滤除高于采样频率1／2的信号，即堆叠信号，以减小语音失真；嵌入式处理器完成数据处理及发送接收；射频收发器CC2420完成数据的收／发，接收／发送该设备的数据，并将数据发送到嵌入式处理器。后置低通滤波器对经过D／A变换的语音信号滤波，还原语音信号。采用低噪声、非斩波稳零的双极性运放设计成二阶有源滤波电路。音频放大器对经过滤波的语音信号放大，提高负载能力，输出到扬声器，最终实现无线语音通信。电路外围元件少，电压增益可调。
1．2 器件选型
MSP430是具有超低功耗特点的16位单片机，方案选用MSP430F168，功耗电流已达到μA级。CPU内核功能强大：16位CPU和高效的RISC指令系统，无外扩的数据地址总线，在8MHz时可达125ns的指令周期，具有16个快速响应中断，能及时处理各种紧急事件。丰富的片内外围功能模块：12位的A／D转换器ADC12内包括采样／保持功能的ADC内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。具有8个外通道和4个内通道，高达采样速率200 kbit·s-1，且具有多种采样方式。两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，其具有48 kB闪存和2 kB的RAM，用于存储采集数据。
射频芯片采用挪威Chipcon公司的CC2420。该芯片具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16 MHz晶振等非常少的外围电路就能工作在ISM免费频带上，工作频率为2．4 GHz。具有2 Mchip·s-1直接扩频序列基带调制解调和250 kbit·s-1的有效数据速率；适合简化功能装置和全功能装置操作：低电流消耗；低电源电压要求。可编程输出功率；独立的128 Byte发射、接收数据缓冲器。芯片具有良好的性能，尤其是极低的电流消耗和封装尺寸，完全满足无线网络设备体积小、功耗小、成本低的设计要求。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。许多单片机都集成了SPI控制器，可以方便地与CC2420配合使用。
基于单片机MSP430和无线射频芯片CC2420的SPI通信，通过设计单片机的SPI寄存器驱动CC2420。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储区。CC2420与处理器的连接使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4个引脚表示收发数据的状态；而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。MSP430F168的SPI是全双工的，因此当通过SIMO向从机发送数据时，SOMI接口同时也在接收数据。1．3 硬件实现
硬件方案充分利用MSP430片上12位ADC和DAC，从而无需外部语音编码解码器件，系统更加精简。语音传输系统的硬件电路如图2所示。

麦克风放大器及前置低通滤波器电路的工作原理：U1构成的反向放大器提供麦克风放大，其增益由R4和R5决定；R2、R3分压后为U1提供合适的偏置，R1给驻极体话筒提供偏置电压，C2阻止直流成分输入到放大器；一级Sallen-key结构的切比雪夫低通滤波器R8和C5构成一阶低通滤波器，用于ADC的反堆叠滤波。后置滤波器由一级Sallen-key结构的切比雪夫低通滤波器、一级RC低通滤波器和一级电压跟随器U4构成。三级滤波器的截止频率彼此稍有错位，以限制整个滤波电路通带的纹波。整个电路的截止频率设置在3 400 Hz，电压跟随器用于防止电路从输出获得反馈，并提供电流驱动。
在设计音频部分的电路时，考虑到采样率为10 kHz，根据奈奎斯特取样定理，系统的有效取样频率Os必须满足Os≥2ON的规定。在此ON称为奈奎斯特频率而ON称为奈奎斯特率。当采样频率小于奈奎斯特频率时，在接收端恢复的信号失真较大，这是因为存在信号的混迭；当采样频率大于或等于奈奎斯特频率时，恢复信号与原信号基本一致。输入的信号频率最高不能超过5kHz，在输入ADC之前必须加一个低通滤波器，将高于5 kHz的信号加以滤除。

2 软件实现
软件设计主要是基于MSP430F168与CC2420之间的SPI通信。通过设计单片机的SPI寄存器来驱动CC2420，进而设置和读取射频芯片的寄存器值，实现相应的发送和接收功能。
2．1 系统功能实现
远程端对语音数据进行A／D转换并打包发送。为实现语音实时通信，应尽量减少帧间等待时间，以提高有效数据率。为达到最大传输效率，理论上应使用最大载荷打包，但较长的数据帧也更容易被外界干扰信号破坏，同时也增加了语音迟延。综合考虑滤波器的截止频率以及CC2420的节点传输速度，A／D转换采用10 kHz的采样频率，8位分辨率。MSP430的主频为8 MHz，ADC将其8分频，单通道单次转换。定时器B与其时钟同步，每50μs产生一次中断。每两次中断进行一次转换，并将数据读出取高8位。ADC一次采样84个8位信号为一个数据包，这个数据包在被RF发送出去之前由协议栈自动加上一个12Byte的包头。由于CC2420传送速率为250kbit·s-1，所以每传送一个数据包耗时约3．072ms。 近程端将接收到的语音采集数据进行还原。D／A转换时钟设置与A／D转换同步。并且也采用10 kHz的频率。用单片机的定时器A模块，每100μs产生一次中断，在中断中进行一次D／A转换。一个ADC的输入缓冲区或一个DAC的输出缓冲区的大小为84Byte。装满这些缓冲区需要8．4 ms。系统流程图如图3所示。