基于USB主機和ZigBee的無線音響系統(tǒng) （二）

　4 協(xié)議的實現(xiàn)

　　4.1 USB 協(xié)議

　　USB 設(shè)備就是能夠通過USB 來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)一定功能的實體。每個USB 設(shè)備都具有表明自身能力和所需資源的描述符。在設(shè)備第一次連接到主機上之后，首先要接受主機枚舉，提供描述符。在得到主機的允許之后，設(shè)備就可以分得的USB 帶寬，進行數(shù)據(jù)傳輸了。

　　系統(tǒng)通過簡單的數(shù)據(jù)線上的電平變化檢測到USB設(shè)備的接入與移出，接著主機和外設(shè)就按照事先約定的順序執(zhí)行一系列的信息交換，也就是主機復(fù)位設(shè)備->主機給設(shè)備供電->設(shè)備通過缺省的地址0 與主機通信->主機給設(shè)備分配地址->主機請求設(shè)備的一系列功能和設(shè)備描述符…，因此，在程序中，通過順序的編程和中斷的調(diào)度，就可以完成主機系統(tǒng)的標準的USB 活動。以上是主機軟件的第一部分，主要實現(xiàn)對外設(shè)的配置，讀取外設(shè)的信息，從而判斷該設(shè)備屬于USB 的哪一類，并確定下一步選用哪個特定的程序加以支持。

　　單片機系統(tǒng)中，限于系統(tǒng)的性能和要求，只需要支持某幾個特定的類就可以了。本系統(tǒng)是一個在USBFlash 存儲器中的應(yīng)用，這個USB 主機需要支持的就是USB 的Mass Storage 類，那么程序就要實現(xiàn)USB的Mass Storage 類所規(guī)定的各種命令。主機的程序流程如圖4 所示。

圖4 USB 主機的軟件流程。

　　整個主機協(xié)議的實現(xiàn)主要可以分為以下三點：

　?、賳纹瑱C與接口芯片通信的實現(xiàn)。②主機最底層數(shù)據(jù)包發(fā)送的實現(xiàn)。③請求命令的實現(xiàn)。1,2,3,層層遞進，一級比一級高級。

4.2 ZigBee 協(xié)議

　　ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4標準之上，該標準制定了物理層（PHY）和媒體接入控制層（MAC）規(guī)范。ZigBee聯(lián)盟則定義了其上的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）以及安全服務(wù)規(guī)范。

　　物理層提供了基本的物理無線通信能力；MAC層提供設(shè)備間的可靠性授權(quán)和單跳通信連接服務(wù)；ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能；應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用對象。APS提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口；ZDO負責所有設(shè)備的管理，如初始化設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和建立安全關(guān)系等功能。

　　ZigBee采用自組織方式組網(wǎng)，支持星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和簇狀網(wǎng)等多種拓撲結(jié)構(gòu)。由于在智能家居中多采用星型拓撲結(jié)構(gòu)， 因而本論文主要對星型拓撲進行組網(wǎng)和測試。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　5.1MSP430控制讀取U盤數(shù)據(jù)

　　當設(shè)備連接到USB總線時，固件執(zhí)行USB處理程序，處理程序的流程如下：

　?。?）FAT文件系統(tǒng)初始化。

　　本系統(tǒng)采用的U盤是滿足FAT文件格式的，了解FAT文件系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)。

　　FAT文件系統(tǒng)有固定的格式，主要分為主引導扇區(qū)、引導扇區(qū)、文件目錄表和數(shù)據(jù)區(qū)等幾個部分。MP3文件的內(nèi)容存放在數(shù)據(jù)區(qū)，但為了得到數(shù)據(jù)區(qū)的地址，首先要得到主引導區(qū)和引導扇區(qū)的內(nèi)容；文件目錄表中記錄著文件的信息，如文件名稱、類型和簇號等，可以通過得到文件目錄表來判斷分區(qū)中MP3格式文件的數(shù)目和每個文件的簇號，這些都為正確地定位MP3文件打基礎(chǔ)。

　?。?）獲得MP3文件個數(shù)，在這個程序中僅僅查詢根目錄下MP3格式的文件個數(shù)。

　　FAT文件系統(tǒng)的文件目錄表中包含分區(qū)中所存的文件信息，每個文件的文件目錄表占用32個字節(jié)空間，該空間的第9、10、11位為文件的擴展名，可以把每個文件的擴展名和MP3格式文件的擴展名相比，進而得到總的MP3格式文件個數(shù)。

　　（3）通過文件目錄表找到MP3文件所在的簇號之后就可以得到文件的物理地址，進而讀取MP3文件的幀頭并獲得該文件的信息。MP3文件由三部分組成，首先是ID3V2,然后是數(shù)據(jù)幀，最后為ID3V1,數(shù)據(jù)幀的幀頭包含MP3的采樣率信息，將這些信息通過無線方式傳送到接收端，進而對解碼器和接口模塊進行配置，這樣就可以讀取文件了。

　　5.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)能浖O(shè)計

　　ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)由三種節(jié)點組成：協(xié)調(diào)器（ZC）、路由器（ZR）和終端設(shè)備（ZD）。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，在本文中即為ZigBee 主節(jié)點；路由器負責網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由；終端設(shè)備連接解碼器，實現(xiàn)音頻輸出。

　　網(wǎng)絡(luò)組建過程主要包括以下三個過程：

　　（1）網(wǎng)絡(luò)初始化過程：節(jié)點初始化后， 掃描信道檢查網(wǎng)絡(luò)是否存在；（2）主節(jié)點配置網(wǎng)絡(luò)過程：產(chǎn)生協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，開始配置網(wǎng)絡(luò)；（3）從節(jié)點入網(wǎng)過程：終端設(shè)備節(jié)點申請加人協(xié)調(diào)器節(jié)點或路由節(jié)點。

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動后，其它普通節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，只要將自己的信道設(shè)置成與現(xiàn)有的協(xié)調(diào)器使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入網(wǎng)絡(luò)。一個節(jié)點若成功地接收一個子節(jié)點，或者子節(jié)點成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器匯報[8].圖5 是節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。

圖5 節(jié)點及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。

　　5.3 音頻解碼部分的軟件說明

　　（1）MP3播放器初始化處理子函數(shù)。

　　初始化程序完成對VS1003的PLL、MP3解碼器和AUDIO接口初始化，設(shè)定控制器的時鐘和采樣率，開啟MP3中斷等工作。

　　（2）MP3播放子程序。

　　找到MP3文件并且配置完MP3解碼器和AUDIO接口后，就可以播放MP3了。播放MP3的過程就是按照MP3解碼器的請求，把接收到的MP3數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇獯a器的輸入緩沖區(qū)的過程。

　　6 結(jié)語

　　本設(shè)計借助嵌入式USB 主機和ZigBee 無線通信技術(shù)，為家用音響系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種靈活、方便的無線解決方案，該系統(tǒng)具有良好的可擴展性和實用價值。相信隨著智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和ZigBee 無線通訊技術(shù)的不斷完善，ZigBee 技術(shù)將越來越好地融合在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計中。

　　本文作者創(chuàng)新點：將嵌入式USB 主機和ZigBee 技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于家用無線音響系統(tǒng)，實現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，實驗證明，系統(tǒng)設(shè)計合理，方便擴展，價格低廉，是一種有效的解決方案。