基于MCF5213及Zigbee無(wú)線(xiàn)

摘要：  本文介紹了基于Freescale Coldfire處理器系列的MCF5213芯片，以及Zigbee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)對講系統的參考設計。

關(guān)鍵詞：  MCF5213；音頻采集；Zigbee

硬件架構

MCF5213處理器

MCF5213是Freescale半導體公司Coldfire系列嵌入式處理器中一款低成本、低功耗的32位微處理器。它提供了一個(gè)電路設計簡(jiǎn)單的單片式處理器解決方案，最高可配置256KB高性能、近乎單點(diǎn)接入、隔行掃描的可靠嵌入式閃存。MCF5213具有BGA和QFP兩種封裝，主頻最高為80MHz。

MCF521X處理器內部集成乘加器 (MAC)完成類(lèi)似DSP的功能，可以實(shí)現G.726格式的語(yǔ)音編解碼軟件，碼流低、音效好。同時(shí)處理器具有低功耗特性，其內部的模塊化時(shí)鐘可以在所有運行模式下啟用和停用，內部PLL電路可以對系統時(shí)鐘進(jìn)行靈活的設置，其最大電流通常不超過(guò)1mA/MHz。

圖1為MCF521X系列處理器內部架構圖，MCF5213內置32KB SRAM、256KB Flash。MCF521X處理器的Flash 存儲空間以及SRAM，可以容納mC/OS-II操作系統在片內存儲和運行，省去了一般嵌入式系統所需的外圍存儲芯片，簡(jiǎn)化了外圍設計電路，也使得系統的整體成本大大降低。

圖1  MCF521X處理器內部架構

除了處理器內置的存儲器外，MCF521X系列處理器還集成了豐富的外設接口，以便于與其他系統的互連。外設包括：三個(gè)異步收發(fā)器(UART)、I2C、QSPI、GPIO、A/D、PWM、CAN總線(xiàn)等資源。如圖2所示，可方便的擴展其他功能及和外部通訊。

圖2：MCF5213內置資源可擴展豐富外設

HHCF5213對講機構

基于MCF5213處理器豐富的片內資源及低功耗設計，華恒科技提供的HHCF5213-R1 Zigbee無(wú)線(xiàn)音頻對講系統架構如圖3所示。

圖3  基于MCF5213及Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的音頻應用系統框圖

系統構成

G.726實(shí)時(shí)音頻編解碼

簡(jiǎn)單的音頻采集回放過(guò)程：從麥克風(fēng)輸入的音頻信號經(jīng)AD轉換，在CPU內進(jìn)行G.726的壓縮編碼、解碼后，從PWM口輸出，再經(jīng)一個(gè)積分電路、放大電路，輸出音頻信號。如圖4所示。

圖4  音頻回放流程圖

音頻采集由M5213處理器內部的AD接口直接支持，無(wú)須額外的Codec芯片及復雜的電路。音頻采樣率設為8kHz，即每隔125us采樣一次；而對一個(gè)數據點(diǎn)進(jìn)行G.726的壓縮編碼、解碼所需時(shí)間約為80us，所以系統可以實(shí)現實(shí)時(shí)的G.726壓縮編解碼。

G.726編碼簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把16bit的音頻數據壓縮為2bit的數據,解碼則是把2bit的數據恢復成16bit的數據。目前我們提供的G.726編解碼已經(jīng)做成模塊的形式，直接進(jìn)行函數調用即可，在模塊里進(jìn)行音頻數據的G.726壓縮編解碼。傳入參數為一個(gè)指向音頻數據的指針，傳出參數編碼、解碼后的音頻數據。將PWM用作D/A口解碼輸出音頻時(shí)，需要一個(gè)由運放構成的積分放大電路。

對講系統軟件采用mc/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統實(shí)現編程，例程從略。

Zigbee無(wú)線(xiàn)音頻傳輸

Zigbee于2004年底通過(guò)IEEE802.15.4標準，是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它依據802.15.4標準，在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高?？梢灶A計Zigbee將廣泛應用到包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車(chē)自動(dòng)化、農業(yè)自動(dòng)化和醫用設備控制等領(lǐng)域。

圖5為Freescale提供的符合IEEE 802.15.4標準的MC13192射頻數據調制解調器及系統框圖。MC13192的特性包括：
*根據IEEE 802.15.4標準的Zigbee技術(shù)； 
*全頻譜編碼和譯碼；
*經(jīng)濟高效的CMOS設計幾乎不需要外部元件；
*可編程的時(shí)鐘，供基帶MCU使用；
*標準的4線(xiàn)SPI接口(以4MHz或更高頻率運行)，7條GPIO線(xiàn)路；
*可編程的輸出功率，為0 dBm~3.6dBm；
*在分組錯誤率為1%的情況下，其接收靈敏度達到-92dBm(典型值)；
*采用DSSS擴頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps，共有16個(gè)信道。

圖5：Zigbee系統結構框圖

Zigbee是以一個(gè)個(gè)獨立的工作節點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，因此,每個(gè)節點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統中大部分的節點(diǎn)為子節點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱(chēng)為精簡(jiǎn)功能設備；而另外還有一些節點(diǎn)，負責與所控制的子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱(chēng)之為全功能設備(也稱(chēng)為協(xié)調器)。也就是說(shuō)，基于HHCF5213-R1系統，可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的直接音頻雙向傳輸，也可以通過(guò)Zigbee的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的中轉和互傳,如圖6所示。

圖6  點(diǎn)對點(diǎn)音頻無(wú)線(xiàn)傳輸系統功能框圖

結語(yǔ)

基于MCF5213處理器和實(shí)時(shí)操作系統uC/OS-II，以及Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)的高可靠性、低功耗的無(wú)線(xiàn)連接功能，可用于低碼流音頻、數據傳輸。華恒科技可提供有關(guān)開(kāi)發(fā)工具及技術(shù)支持。