基于IEEE802.15.4/ZigBee的語音通信系統

李 莉 ，王京梅，孫 俊 ，龔偉家

(電子科技大學微電子與固體電子學院，四川成都 6 10054)

ZigBee是ZigBee聯盟在IEEE802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎上指定的一種低速無線個域網(LR-WPAN)技術規范。其主要目標是以簡單靈活的協議構建一種布置簡易、數據傳輸可靠、設備成本低、能量消耗小的短距離無線通信網絡。ZigBee工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4 GHz、868 MHz及 9 15 MHz，均為免執照頻段;傳輸速率為250 kbit·s-1，有效傳輸距離為10～75 m。通過在發射端加功率放大器還可以實現更遠距離的通信[1]。ZigBee技術具有多跳傳送(Multi-hop Relay)機制、網絡擴展性能好、布設容易以及具有自組織與自修復能力。廣泛地應用到庫存管理、產品質量控制、工業過程控制、災害地區監測、生物監測和監督、定位及消防安全等領域。雖然實現語音通信不是ZigBee聯盟最初的目標，但是，在許多領域中沒有語音通信功能，將使其應用受到較大局限;另一方面，在有緊急需求和不易布置環境下，ZigBee具有其他通信技術難以替代的優勢，如能利用ZigBee網絡進行語音傳輸則具有較大的實用價值;同時，在無線傳感網絡的應用中，聲音也是一種傳感量，傳輸采樣的聲音數據正是聲音傳感應用的基本要求，所以文中針對IEEE802.15.4/ZigBee的應用環境，并考慮到ZigBee理論通信速率為250 kbit·s-1，實際速率也能滿足語音通信要求的情況，提出實現語音通信的研究課題。并且充分利用本方案所選MCU的性能特性，以及較少的外圍器件，很好地實現了語音通信。

1 硬件方案

1.1 方案總體架構

該系統總體架構為:語音處理功能遠程端MSP430單片機作為發送端時，片上的ADC完成從麥克風采樣，把輸入的語音信號經過轉換后發送，而近程端MSP430片上的DAC則把接收到的數據轉化為聲音信號再由喇叭播放。方波輸出功能的實現則以近程端作為發送端，發送控制命令給遠程端，遠程端接收到控制命令后，輸出占空比可調的方波信號。進而實現半雙工通信下的雙向通信。數據的收發則通過以CC2420為核心的RF前端完成，外圍附加放大與濾波電路。該平臺的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

前置放大器完成對咪頭微弱信號的放大，以便與ADC的滿度測量范圍相匹配，提高信噪比;前置低通濾波器濾除高于采樣頻率1/2的信號，即堆疊信號，以減小語音失真;嵌入式處理器完成數據處理及發送接收;射頻收發器CC2420完成數據的收/發，接收/發送該設備的數據，并將數據發送到嵌入式處理器。后置低通濾波器對經過D/A變換的語音信號濾波，還原語音信號。采用低噪聲、非斬波穩零的雙極性運放設計成二階有源濾波電路。音頻放大器對經過濾波的語音信號放大，提高負載能力，輸出到揚聲器，最終實現無線語音通信。電路外圍元件少，電壓增益可調。

1.2 器件選型

MSP430是具有超低功耗特點的16位單片機，方案選用MSP430F168，功耗電流已達到μA級。CPU內核功能強大:16位CPU和高效的RISC指令系統，無外擴的數據地址總線，在8 MHz時可達125 ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊:12位的A/D轉換器ADC12內包括采樣/保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。具有8個外通道和4個內通道，高達采樣速率200 kbit·s-1，且具有多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，其具有48 kB閃存和2 kB的RAM，用于存儲采集數據[2]。

射頻芯片采用挪威Chipcon公司的CC2420。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能工作在ISM免費頻帶上，工作頻率為2.4 GHz。具有2 Mchip·s-1直接擴頻序列基帶調制解調和250 kbit·s-1的有效數據速率;適合簡化功能裝置和全功能裝置操作:低電流消耗;低電源電壓要求?？删幊梯敵龉β?獨立的128 Byte發射、接收數據緩沖器。芯片具有良好的性能，尤其是極低的電流消耗和封裝尺寸，完全滿足無線網絡設備體積小、功耗小、成本低的設計要求[3]。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作。許多單片機都集成了SPI控制器，可以方便地與CC2420配合使用。

基于單片機MSP430和無線射頻芯片CC2420的SPI通信，通過設計單片機的SPI寄存器驅動CC2420。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲區。CC2420與處理器的連接使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA 4個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發送命令等[4]。MSP430F168的SPI是全雙工的，因此當通過SIMO向從機發送數據時，SOMI接口同時也在接收數據。

1.3 硬件實現

硬件方案充分利用MSP430片上12位ADC和DAC，從而無需外部語音編碼解碼器件，系統更加精簡。語音傳輸系統的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

麥克風放大器及前置低通濾波器電路的工作原理:U1構成的反向放大器提供麥克風放大，其增益由R4和R5決定;R2、R3分壓后為U1提供合適的偏置，R1給駐極體話筒提供偏置電壓，C2阻止直流成分輸入到放大器;一級Sallen-key結構的切比雪夫低通濾波器R8和C5構成一階低通濾波器，用于ADC的反堆疊濾波。后置濾波器由一級Sallen-key結構的切比雪夫低通濾波器、一級RC低通濾波器和一級電壓跟隨器U4構成。三級濾波器的截止頻率彼此稍有錯位，以限制整個濾波電路通帶的紋波。整個電路的截止頻率設置在3 400 Hz，電壓跟隨器用于防止電路從輸出獲得反饋，并提供電流驅動。

在設計音頻部分的電路時，考慮到采樣率為10 kHz，根據奈奎斯特取樣定理，系統的有效取樣頻率Os必須滿足Os≥2ON的規定。在此ON稱為奈奎斯特頻率而ON稱為奈奎斯特率[5]。當采樣頻率小于奈奎斯特頻率時，在接收端恢復的信號失真較大，這是因為存在信號的混迭;當采樣頻率大于或等于奈奎斯特頻率時，恢復信號與原信號基本一致。輸入的信號頻率最高不能超過5 kHz，在輸入ADC之前必須加一個低通濾波器，將高于5 kHz的信號加以濾除。

2 軟件實現

軟件設計主要是基于MSP430F168與CC2420之間的SPI通信。通過設計單片機的SPI寄存器來驅動CC2420，進而設置和讀取射頻芯片的寄存器值，實現相應的發送和接收功能。

2.1 系統功能實現

遠程端對語音數據進行A/D轉換并打包發送。為實現語音實時通信，應盡量減少幀間等待時間，以提高有效數據率。為達到最大傳輸效率，理論上應使用最大載荷打包，但較長的數據幀也更容易被外界干擾信號破壞，同時也增加了語音遲延[6]。綜合考慮濾波器的截止頻率以及CC2420的節點傳輸速度，A/D轉換采用10 kHz的采樣頻率，8位分辨率。MSP430的主頻為8 MHz，ADC將其8分頻，單通道單次轉換。定時器B與其時鐘同步，每50 μs產生一次中斷。每兩次中斷進行一次轉換，并將數據讀出取高8位。ADC一次采樣84個8位信號為一個數據包，這個數據包在被RF發送出去之前由協議棧自動加上一個12 Byte的包頭。由于CC2420傳送速率為250 kbit·s-1，所以每傳送一個數據包耗時約3.072 ms。

近程端將接收到的語音采集數據進行還原。D/A轉換時鐘設置與A/D轉換同步。并且也采用10 kHz的頻率。用單片機的定時器A模塊，每100 μs產生一次中斷，在中斷中進行一次D/A轉換。一個ADC的輸入緩沖區或一個DAC的輸出緩沖區的大小為84 Byte。裝滿這些緩沖區需要8.4 ms。系統流程圖如圖3所示。

圖3 近程端軟件設計流程圖

2.2 發送接收子程序實現

發送端獲取了A/D轉換的結果，并存儲于所開設的緩存中。在發送數據時，將存于緩存的數據，加上網絡層MAC層和物理層的幀頭，通過SPI總線發送到射頻發射芯片的發送FIFO中。為簡化傳輸數據，采用16位短地址尋址而非64位IEEE地址。接收數據時，首先射頻發射芯片監聽信道中的數據，判斷數據是否發送該設備。如果是，則讀取該數據到接收FIFO，然后觸發，通過SPI總線將數據發送到MCU;通過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。具體完成發送接收部分的子程序流程如圖5所示。

2.3 反向控制與狀態切換

在無線通信過程中，無論主機還是分機的CC2420通信模塊在某一時刻只能被配置成一種傳輸模式，即發射模式或接收模式，因此無線信道實質提供了一種半雙工通信方式。而在實際當中通話雙方不能像對講機那樣采用按鍵進行發射和接收模式的切換，所以既要保證語音數據的實時性和準確性，又要保證反向控制信號的有效傳輸，軟件的狀態切換成為迫切需要解決的問題。

利用如圖4所示的收發子程序控制遠程端是否輸出方波。按鍵按下，則發送控制命令至遠程端，收到控制命令后，運用定時器的比較模式輸出方波。從系統考慮，每個通信節點同時具備收發功能。依據CC2420狀態機可以方便地進行狀態切換，每次發送完畢恢復無線收發模塊至接收狀態即可。

圖4 子程序流程圖

3 結束語

在系統調試過程中，考慮到語音傳輸的同步性，避免語音信號無線接收與SPI讀取數據的速度RXFIFO使用沖突，接收端采用雙緩沖區的設計;另外由于每個節點同時具備收發功能，考慮到半雙工的特點，采用語音信號高優先級，只在每次中斷檢測方波控制信號的方法，既保證了語音信號的實時傳輸，控制信號又實時有效。由于CC2420沒有專用的軟件監聽包，語音傳輸信號用正弦波信號模擬，同時反向發射方波輸出控制信號。經過調試，最終在D/A輸出口，穩定的輸出階梯狀正弦波，在喇叭輸出口，基本平滑的正弦波。實驗證明，該波形無消波失真且波形穩定時，語音傳輸效果最佳，經測試，傳輸距離約達到50 m。

該系統未使用獨立的ADC與DAC，使得成本和功耗更低;利用MSP430的5種省電模式，加上ZigBee技術本身的低功耗、低成本特性，使得在僅用電池供電的情況下有更長的工作時間。系統涉及到通信原理、無線技術、抗干擾技術、軟件設計等多種理論和技術，為ZigBee技術的廣泛應用提供了依據。

[1]瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[2]沈建華，楊艷琴，翟曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社，2006.

[3]代忠，樊曉光，萬明，等.基于射頻芯片CC2420的 Z igBee無線通信節點設計[J].傳感器世界，2006(12):41-44.

[4]陳玉蘭，聶軍.面向無線傳感器網絡的 C C2420接口設計[J].電子工程師，2005，31(12):36-38.

[5]吳文南，胡愛群，宋宇波.短距離無線語音和數據傳輸模塊的設計與實現[J].現代電子技術，2007(5):29-31.

[6]王秀梅，劉乃安.利用2.4GHz射頻芯片CC2420實現Zig-Bee無線通信設計[J].國外電子元器件，2005(3):59-62.