基于ZigBee的語音通信技術

　　ZigBee是一種低功耗、低成本的新型短距離無線通信開放性技術標準。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(zhí)照頻段;傳輸速率為250kbps，有效傳輸距離為10～75m。通過在發(fā)射端加功率放大器還可以實現(xiàn)更遠距離的通信。

　　ZigBee技術的低成本、低功耗特點，使其廣泛地應用到庫存管理、產品質量控制、工業(yè)過程控制、災害地區(qū)監(jiān)測、生物監(jiān)測和監(jiān)督、定位及消防安全等領域。雖然實現(xiàn)語音通信不是ZigBee聯(lián)盟最初的目標，但是，在許多領域(如消防搶險)中沒有語音通信功能，將使其應用受到很大的局限。本文正是考慮到這一點，并考慮到ZigBee理論通信速率為250 kps，實際速率也能滿足語音通信要求的情況，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，很好地實現(xiàn)了語音通信。

　　1 總體方案構架

　　ZigBee語音通信系統(tǒng)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現(xiàn)語音通信?？傮w框圖如圖1所示。

　　按功能分，主要包括以下幾部分：

　　語音前置放大器：主要實現(xiàn)對麥克風接收的語音電信號進行放大處理。

　　語音前置濾波器：完成對高頻電磁波的濾出，消除部分干擾，減小語音的失真。

　　嵌入式處理器：發(fā)送語音時，完成對語音模擬電信號的采集，將其轉變?yōu)閿?shù)字信號，并打包成數(shù)據(jù)幀，加上必要的幀頭，發(fā)送到射頻收發(fā)器。接收語音時，讀取射頻收發(fā)器緩存器的數(shù)據(jù)，并進行D/A變換，發(fā)送到語音接收電路。

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

　　語音后置濾波器：對經過D/A變換的語音信號濾波，得到所需的語音信號。

　　語音后置放大器：對經過濾波以后的語音信號放大，最后輸出到耳機，實現(xiàn)最終的語音通信。

　　2 硬件電路實現(xiàn)

　　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，具有先進的RISC架構，內部具有133條功能強大的指令系統(tǒng)，且大部分指令是單周期;具有2個8位定時器/計數(shù)器和2個具有比較/捕捉寄存器的16位定時器/計數(shù)器，2通道位數(shù)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(tǒng)設計中查詢的需要，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(tǒng)設計可以充分利用其8路10位A/D轉換器和2通道位數(shù)可編程PWM通道，實現(xiàn)語音信號的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(tǒng)更加精簡，更加穩(wěn)定可靠。同時，考慮到該MCU的低功耗特點，可以使系統(tǒng)一次工作更長的時間。

　　無線發(fā)射器選用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特點：具有2Mchips/s直接擴頻序列基帶調制解調和250kbps的有效數(shù)據(jù)速率;適合簡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(jié)器時2.1～3.6V，使用外部電壓調節(jié)器時1.6～2.0V);可編程輸出功率;獨立的128字節(jié)發(fā)射、接收數(shù)據(jù)緩沖器;電池電量可監(jiān)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%，而且價格低廉，該系統(tǒng)每個沒備需要4個運算放大器，充分利用該器件。

　　2.2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　語音傳輸系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示，連接麥克風的放大器是一個簡單的反向放大器。增益通過R2和R3控制(G=R3/R2);R4給麥克風提供電壓，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構成一個簡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)和一個無源濾波器(R10，C7)構成。這3個濾波器的截止頻率彼此稍微有點錯位，這樣可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4000Hz，電壓跟隨器用來防止電路從輸出獲得反饋。

　　3 軟件實現(xiàn)

　　3.1 發(fā)送端軟件實現(xiàn)

　　發(fā)送端軟件主要完成語音電壓信號的模/數(shù)轉換，并將數(shù)據(jù)按照ZigBee協(xié)議規(guī)定的最大幀長度打包。本系統(tǒng)采取每幀84字節(jié)，并按照用戶要求發(fā)送到特定網(wǎng)絡設備。ATmegal28L的主頻是8 MHz，ADC時鐘采取64分頻，每次轉換需要13個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，則每次采樣時間是125μs;采用定時器T/C1，則每到125μs產生一次中斷，并在中斷處理程序中讀取A/D轉換的值，同時啟動下一次轉換。發(fā)送端程序流程如圖3所示。

　　3.2 中間層軟件實現(xiàn)

　　發(fā)送端獲取了A/D轉換的結果，并存儲于所開設的緩存中;中間層在發(fā)送數(shù)據(jù)時，將存于緩存的數(shù)據(jù)按照ZigBee協(xié)議規(guī)定的格式，加上網(wǎng)絡層MAC層和物理層的幀頭，將數(shù)據(jù)通過SPI總線發(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64位的IEEE地址和16位的網(wǎng)絡地址來尋找網(wǎng)絡設備。一般來說，IEEE地址是固定的，而網(wǎng)絡地址則是在組網(wǎng)時隨機分配的。因此要對特定設備通信，必須用IEEE地址，但是在進行語音通信時，為了簡化傳輸數(shù)據(jù)，一般采用16位網(wǎng)絡地址尋址。這就需要在第一次通信時知道IEEE地址的前提下，獲取設備的網(wǎng)絡地址;以后采用網(wǎng)絡地址通信。這部分工作通過Chipcon的ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)。程序功能實現(xiàn)流程如圖4所示。接收數(shù)據(jù)時，首先射頻發(fā)射芯片監(jiān)聽信道中的數(shù)據(jù)，通過判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送該設備。如果是，則讀取該數(shù)據(jù)到接收FIFO，然后觸發(fā)，通過SPI總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU;通過MCU處理，去掉各層的幀頭，最后將數(shù)據(jù)存放到指定的緩存區(qū)中。

　　3.3 接收端軟件實現(xiàn)

　　接收端需要把數(shù)字語音信號還原為模擬信號。該系統(tǒng)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濾波器實現(xiàn)D/A變換。MCU時鐘頻率是8MHz，采用T/C2的8位快速PWM模式，每次PWM需要256個系統(tǒng)時鐘周期。在系統(tǒng)時鐘頻率為8MHz的情況下，PWM的頻率接近32kHz，采用與發(fā)送端相同時間的定時中斷，從而達到收發(fā)同步。用T/C3定時器，在125μs產生一次中斷，并在中斷處理程序中，將接收到的值發(fā)送到OCR2，發(fā)送到語音接收電路的濾波電路，實現(xiàn)濾波、放大，最后實現(xiàn)語音通信。在接收端開設兩個緩存區(qū)，交替存儲發(fā)送端的語音幀數(shù)據(jù)。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。要進行兩個模式的切換，只需要通過按鍵，并控制不同的寄存器初始化，即可實現(xiàn)模式的切換。

　　4 結 論

　　通過測試驗證。該系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)實時語音短距離無線傳輸。該系統(tǒng)硬件簡單，沒有使用分離的A/D及D/A器件，使得成本更加低廉.功耗更低;同時由于ZigBee技術本身的低功耗、低成本特性，使得該系統(tǒng)在僅用電池供電的情況下，可以一次工作很長時間。將ZigBee應用于消防、安全監(jiān)控領域，能夠提供更加方便、準確的服務。