基于CC2530的語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)設計方案

引言

語(yǔ)音偵聽(tīng)是為應對犯罪手段新變化而采用的一種借助于高科技、具有隱秘性的強制偵查措施，能夠彌補常規偵查措施在查清犯罪事實(shí)方面的不足，在打擊嚴重犯罪或某些特殊類(lèi)型的犯罪方面發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用。

現有的語(yǔ)音偵聽(tīng)設備多采用有線(xiàn)傳輸方式，要完成語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)，需要在偵聽(tīng)區域內先完成線(xiàn)路鋪設，部分無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音偵聽(tīng)設備主要采用激光或雷達等手段實(shí)現語(yǔ)音信息的無(wú)線(xiàn)傳輸。常見(jiàn)的語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)的功耗都比較大，主要集中在語(yǔ)音處理、編碼及無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中。

分析現有的語(yǔ)音偵聽(tīng)設備不難發(fā)現;語(yǔ)音偵聽(tīng)區域的隨機性、復雜性及危險性使得有線(xiàn)偵聽(tīng)設備無(wú)法滿(mǎn)足隨時(shí)隨地完成布設進(jìn)行偵聽(tīng)的要求，增加了執行任務(wù)的風(fēng)險系數。激光、雷達昂貴的價(jià)格使得以此作為通信手段的無(wú)線(xiàn)偵聽(tīng)設備不能普及推廣，語(yǔ)音編碼處理及無(wú)線(xiàn)傳輸的高功耗使其無(wú)法滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間、不間斷偵聽(tīng)任務(wù)的需要。

因此，研究設計一種操作簡(jiǎn)單、使用方便、采用無(wú)線(xiàn)傳輸、低功耗的語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)，對于減少人力資源消耗，降低任務(wù)的風(fēng)險系數和裝備成本，實(shí)現長(cháng)時(shí)間、不間斷的遠距離語(yǔ)音偵聽(tīng)具有重要意義。

1 節點(diǎn)總體設計

遵循模塊化的設計思想，結合嵌入式系統開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，根據語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)需求，本文設計的語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)由語(yǔ)音感知模塊、處理器模塊和電源模塊三部分組成，如圖1所示。其中，語(yǔ)音感知模塊包括語(yǔ)音采集單元和語(yǔ)音編碼單元，完成語(yǔ)音信號的檢測、采樣、模數轉換和編碼。處理器模塊包括處理器單元、存儲單元和無(wú)線(xiàn)通信單元，不僅負責整個(gè)節點(diǎn)的數據處理、數據存儲、執行通信協(xié)議、節點(diǎn)調度管理和功率控制，而且還負責節點(diǎn)與節點(diǎn)之間、節點(diǎn)與上位機之間按照一定的通信協(xié)議完成數據、指令的發(fā)送和接收。電源模塊為各部分電路提供運行時(shí)所需要的能量，維持節點(diǎn)正常工作。

2 節點(diǎn)硬件設計

2.1 語(yǔ)音感知模塊設計

語(yǔ)音信號的獲取是完成語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)的首要環(huán)節，其質(zhì)量的好壞直接決定著(zhù)語(yǔ)音偵聽(tīng)結果的準確性。在比較分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等語(yǔ)音處理芯片的特點(diǎn)后，選取CMX649芯片作為偵聽(tīng)節點(diǎn)的語(yǔ)音感知模塊。CMX649芯片是一種集語(yǔ)音檢測、采樣、模數轉換、編碼多種功能于一體的集成芯片，能夠實(shí)現ADM編碼、PCM編碼，能夠滿(mǎn)足語(yǔ)音處理低功耗的要求。

CMX649豐富的功能集成使其需要極少的外部原件就可完成語(yǔ)音信號的檢測與編碼，其外圍電路如圖2所示。

其中，引腳14、15、16、17和18與C-BUS總線(xiàn)連接，用于設置CMX649工作參數;C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于調整MIC放大器增益和頻率響應，單位增益設為150 Hz，高低3 dB的滾降點(diǎn)設為15 kHz;C5為直流阻斷電容，連接外部揚聲放大器用來(lái)驅動(dòng)揚聲器工作;晶振X1為4.096 MHz有源晶振，用來(lái)產(chǎn)生芯片工作時(shí)所需時(shí)鐘頻率;VDD和VBIAS分別與去耦電容C6和C7連接來(lái)獲得良好的噪聲性能。

2.2 處理器模塊設計

本設計從節點(diǎn)的應用需求、性能指標和成本三個(gè)方面來(lái)確定處理器的選型。在比較分析免費提供ZigBee協(xié)議棧的MSP430C+C1100/CC2420/CC2520方案和CC2430/CC2530、JN5121/JN513x、Ember+EmberZNet2.0方案后，選擇TI公司的CC2530芯片作為語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)的處理器模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有集成度高、功耗低、體積小、成本低和接口豐富的特點(diǎn)，完全能夠滿(mǎn)足語(yǔ)音偵聽(tīng)節點(diǎn)在數據采集、存儲、預處理與無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)對處理器的要求。

CC2530集成了多種特色功能模塊，只需要極少的外部元件就可完成節點(diǎn)的控制、數據的處理及無(wú)線(xiàn)傳輸，其外圍電路如圖3所示。在射頻電路中，天線(xiàn)使用單極子不平衡天線(xiàn)。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò )由分立電感、電容(C252、L252、C262、L261)組成，它能夠優(yōu)化天線(xiàn)的性能，減小在射頻電路連接時(shí)造成的頻率漂移，能夠匹配阻抗為50 Ω的天線(xiàn)，達到芯片的最優(yōu)性能。

選用兩個(gè)晶振來(lái)保證CC2530無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收電路正常工作，主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無(wú)源晶振，由XTAL1及電容C221和C231組成;32 kHz時(shí)鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成。為提高芯片工作的穩定性，輸入電壓應采用3.3 V穩壓電源，接內部參考電壓的外圍電阻R301的精度要在0.5%以上，且在電源處加入去耦電容。

2.3 電源模塊設計

由于CMX649芯片的工作電壓在2.7～5.5 V;CC2530的工作電壓為2.0～3.6 V，典型值為3.3 V。為簡(jiǎn)化電源模塊設計、減小節點(diǎn)體積，根據電壓一致性原則，將該節點(diǎn)的供電電壓定為3.3 V。結合本節點(diǎn)需求，最終選取容量220mA、電壓3.6 V的鋰電池完成供電。為使節點(diǎn)正常工作，需要通過(guò)電源轉換電路來(lái)實(shí)現3.6 V到3.3 V電壓的轉換。

在比較分析3.3 V電源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的轉換效率和轉換精度后，選用TPS780330220來(lái)實(shí)現3.6～3.3 V電壓的轉換。TPS780330220的最大驅動(dòng)電流為150 mA，可以滿(mǎn)足CC2530工作的需要，轉換效率高，有利于延長(cháng)節點(diǎn)工作時(shí)間。它的輸出電壓噪聲非常低，信噪抑制比高，對于較易受到干擾的語(yǔ)音信號而言，能夠減少背景噪聲的干擾、提高語(yǔ)音信息采集的精度，具體電路如圖4所示。

3 節點(diǎn)軟件設計

根據需求分析，節點(diǎn)加電后開(kāi)始工作，首先完成對CMX649和CC2530的初始化。而后依據能否檢測到語(yǔ)音信號來(lái)判斷編碼模塊和傳輸模塊是被喚醒進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，還是繼續停留在休眠狀態(tài)。若進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，則啟動(dòng)采樣，待完成模數轉換、語(yǔ)音編碼后，調用發(fā)送子程序發(fā)送數據。此時(shí)，根據在一定時(shí)間范圍內能否連續檢測到語(yǔ)音信號判斷偵聽(tīng)是否結束。如果連續檢測到語(yǔ)音信號，則偵聽(tīng)沒(méi)有結束，繼續進(jìn)行采樣、編碼處理和發(fā)送;反之，判斷偵聽(tīng)結束，節點(diǎn)的編碼傳輸模塊進(jìn)入到休眠狀態(tài)，語(yǔ)音激活檢測部分周期性工作，等待下一次檢測到語(yǔ)音信號。節點(diǎn)軟件流程如圖5所示。