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基于IEEE802.1 5.4/ZigBee的语音通信系统

作者:时间:2012-04-13来源:网络收藏

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。

基于IEEE802.1 5.4/ZigBee的语音通信系统

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,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。


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