基于ZigBee的語(yǔ)音通信技術(shù)

　　ZigBee是一種低功耗、低成本的新型短距離無(wú)線(xiàn)通信開(kāi)放性技術(shù)標準。它工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4 GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段;傳輸速率為250kbps，有效傳輸距離為10～75m。通過(guò)在發(fā)射端加功率放大器還可以實(shí)現更遠距離的通信。

　　ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗特點(diǎn)，使其廣泛地應用到庫存管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工業(yè)過(guò)程控制、災害地區監測、生物監測和監督、定位及消防安全等領(lǐng)域。雖然實(shí)現語(yǔ)音通信不是ZigBee聯(lián)盟最初的目標，但是，在許多領(lǐng)域(如消防搶險)中沒(méi)有語(yǔ)音通信功能，將使其應用受到很大的局限。本文正是考慮到這一點(diǎn)，并考慮到ZigBee理論通信速率為250 kps，實(shí)際速率也能滿(mǎn)足語(yǔ)音通信要求的情況，充分利用本方案所選的MCU的性能特性，以及很少的外圍器件，很好地實(shí)現了語(yǔ)音通信。

　　1 總體方案構架

　　ZigBee語(yǔ)音通信系統的架構為：以嵌入式處理器和射頻發(fā)射芯片為核心，輔以外圍的放大與濾波電路實(shí)現語(yǔ)音通信?？傮w框圖如圖1所示。

　　按功能分，主要包括以下幾部分：

　　語(yǔ)音前置放大器：主要實(shí)現對麥克風(fēng)接收的語(yǔ)音電信號進(jìn)行放大處理。

　　語(yǔ)音前置濾波器：完成對高頻電磁波的濾出，消除部分干擾，減小語(yǔ)音的失真。

　　嵌入式處理器：發(fā)送語(yǔ)音時(shí)，完成對語(yǔ)音模擬電信號的采集，將其轉變?yōu)閿底中盘?，并打包成數據幀，加上必要的幀頭，發(fā)送到射頻收發(fā)器。接收語(yǔ)音時(shí)，讀取射頻收發(fā)器緩存器的數據，并進(jìn)行D/A變換，發(fā)送到語(yǔ)音接收電路。

　　射頻收發(fā)器：完成數據的收/發(fā)，接收/發(fā)送該設備的數據，并將數據發(fā)送到嵌入式處理器。

　　語(yǔ)音后置濾波器：對經(jīng)過(guò)D/A變換的語(yǔ)音信號濾波，得到所需的語(yǔ)音信號。

　　語(yǔ)音后置放大器：對經(jīng)過(guò)濾波以后的語(yǔ)音信號放大，最后輸出到耳機，實(shí)現最終的語(yǔ)音通信。

　　2 硬件電路實(shí)現

　　2.1 器件選型

　　嵌入式處理器選用ATmegal28L單片機。ATmegal28L是Atmel公司推出的低功耗、高性能MCU。其內核為AVR，具有先進(jìn)的RISC架構，內部具有133條功能強大的指令系統，且大部分指令是單周期;具有2個(gè)8位定時(shí)器/計數器和2個(gè)具有比較/捕捉寄存器的16位定時(shí)器/計數器，2通道位數可編程PWM通道，8路10位A/D轉換器，主/從SPI串行接口，可編程串行通信接口以及片內精確的模擬比較器等。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等幾種省電模式。

　　ATmegal28L的軟件結構也是針對低功耗而設計的，具有內外多種中斷模式;豐富的中斷能力減少了系統設計中查詢(xún)的需要，可以方便地設計出中斷程序結構的控制程序、上電復位和可編程的低電壓檢測，工作電壓為2.7～5.5V。該系統設計可以充分利用其8路10位A/D轉換器和2通道位數可編程PWM通道，實(shí)現語(yǔ)音信號的A/D轉換和D/A轉換，從而省去獨立的A/D轉換器和D/A轉換器，且成本更加低廉，系統更加精簡(jiǎn)，更加穩定可靠。同時(shí)，考慮到該MCU的低功耗特點(diǎn)，可以使系統一次工作更長(cháng)的時(shí)間。

　　無(wú)線(xiàn)發(fā)射器選用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特點(diǎn)：具有2Mchips/s直接擴頻序列基帶調制解調和250kbps的有效數據速率;適合簡(jiǎn)化功能裝置和全功能裝置操作;低電流消耗(接收19.7mA，發(fā)射17.4mA);低電源電壓要求(使用內部電壓調節器時(shí)2.1～3.6V，使用外部電壓調節器時(shí)1.6～2.0V);可編程輸出功率;獨立的128字節發(fā)射、接收數據緩沖器;電池電量可監控。

　　放大電路及濾波器電路的放大器選用LMV324。LMV324(四通道)放大器在2.7 V以下消耗的最大供電電流為1 20μA，在5V下一般只消耗100μA，較同級器件的功耗低20%，而且價(jià)格低廉，該系統每個(gè)沒(méi)備需要4個(gè)運算放大器，充分利用該器件。

　　2.2 系統硬件實(shí)現

　　語(yǔ)音傳輸系統的硬件電路如圖2所示，連接麥克風(fēng)的放大器是一個(gè)簡(jiǎn)單的反向放大器。增益通過(guò)R2和R3控制(G=R3/R2);R4給麥克風(fēng)提供電壓，C1阻止直流成分輸入到放大器;R4和R5給放大器提供合適的偏置;Rll和C9構成一個(gè)簡(jiǎn)單的一級低通濾波器。另外，R5可以在放大器輸出短路的情況下，對放大器起保護作用。語(yǔ)音接收電路由5級低通Chebychev濾波器和1級電壓跟隨器構成。濾波器電路由兩個(gè)相互交錯的2級Chebychev濾波器(R6、R7、R8、C2、C5和R8、R9、R10、C3、C6)和一個(gè)無(wú)源濾波器(R10，C7)構成。這3個(gè)濾波器的截止頻率彼此稍微有點(diǎn)錯位，這樣可以限制整個(gè)濾波電路通帶的紋波。整個(gè)電路的截止頻率設置在4000Hz，電壓跟隨器用來(lái)防止電路從輸出獲得反饋。

　　3 軟件實(shí)現

　　3.1 發(fā)送端軟件實(shí)現

　　發(fā)送端軟件主要完成語(yǔ)音電壓信號的模/數轉換，并將數據按照Z(yǔ)igBee協(xié)議規定的最大幀長(cháng)度打包。本系統采取每幀84字節，并按照用戶(hù)要求發(fā)送到特定網(wǎng)絡(luò )設備。ATmegal28L的主頻是8 MHz，ADC時(shí)鐘采取64分頻，每次轉換需要13個(gè)ADC周期，完成一次轉換需要112μs;采用單次轉換模式，如果按照8 kHz采樣，則每次采樣時(shí)間是125μs;采用定時(shí)器T/C1，則每到125μs產(chǎn)生一次中斷，并在中斷處理程序中讀取A/D轉換的值，同時(shí)啟動(dòng)下一次轉換。發(fā)送端程序流程如圖3所示。

　　3.2 中間層軟件實(shí)現

　　發(fā)送端獲取了A/D轉換的結果，并存儲于所開(kāi)設的緩存中;中間層在發(fā)送數據時(shí)，將存于緩存的數據按照Z(yǔ)igBee協(xié)議規定的格式，加上網(wǎng)絡(luò )層MAC層和物理層的幀頭，將數據通過(guò)SPI總線(xiàn)發(fā)送到射頻發(fā)射芯片的發(fā)送FIFO中。ZigBee設備有兩種尋址方式，分別通過(guò)64位的IEEE地址和16位的網(wǎng)絡(luò )地址來(lái)尋找網(wǎng)絡(luò )設備。一般來(lái)說(shuō)，IEEE地址是固定的，而網(wǎng)絡(luò )地址則是在組網(wǎng)時(shí)隨機分配的。因此要對特定設備通信，必須用IEEE地址，但是在進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，為了簡(jiǎn)化傳輸數據，一般采用16位網(wǎng)絡(luò )地址尋址。這就需要在第一次通信時(shí)知道IEEE地址的前提下，獲取設備的網(wǎng)絡(luò )地址;以后采用網(wǎng)絡(luò )地址通信。這部分工作通過(guò)Chipcon的ZigBee協(xié)議棧實(shí)現。程序功能實(shí)現流程如圖4所示。接收數據時(shí)，首先射頻發(fā)射芯片監聽(tīng)信道中的數據，通過(guò)判斷數據是否發(fā)送該設備。如果是，則讀取該數據到接收FIFO，然后觸發(fā)，通過(guò)SPI總線(xiàn)將數據發(fā)送到MCU;通過(guò)MCU處理，去掉各層的幀頭，最后將數據存放到指定的緩存區中。

　　3.3 接收端軟件實(shí)現

　　接收端需要把數字語(yǔ)音信號還原為模擬信號。該系統充分利用MCU的功能，不采用分離的D/A器件，而是利用MCU的PWM功能，輔之外圍的5級Cheychey濾波器實(shí)現D/A變換。MCU時(shí)鐘頻率是8MHz，采用T/C2的8位快速PWM模式，每次PWM需要256個(gè)系統時(shí)鐘周期。在系統時(shí)鐘頻率為8MHz的情況下，PWM的頻率接近32kHz，采用與發(fā)送端相同時(shí)間的定時(shí)中斷，從而達到收發(fā)同步。用T/C3定時(shí)器，在125μs產(chǎn)生一次中斷，并在中斷處理程序中，將接收到的值發(fā)送到OCR2，發(fā)送到語(yǔ)音接收電路的濾波電路，實(shí)現濾波、放大，最后實(shí)現語(yǔ)音通信。在接收端開(kāi)設兩個(gè)緩存區，交替存儲發(fā)送端的語(yǔ)音幀數據。接收端程序流程如圖5所示。

　　3.4 主從模式轉換

　　以上分析的是主從模式。要進(jìn)行兩個(gè)模式的切換，只需要通過(guò)按鍵，并控制不同的寄存器初始化，即可實(shí)現模式的切換。

　　4 結 論

　　通過(guò)測試驗證。該系統可以很好地實(shí)現實(shí)時(shí)語(yǔ)音短距離無(wú)線(xiàn)傳輸。該系統硬件簡(jiǎn)單，沒(méi)有使用分離的A/D及D/A器件，使得成本更加低廉.功耗更低;同時(shí)由于ZigBee技術(shù)本身的低功耗、低成本特性，使得該系統在僅用電池供電的情況下，可以一次工作很長(cháng)時(shí)間。將ZigBee應用于消防、安全監控領(lǐng)域，能夠提供更加方便、準確的服務(wù)。