ZigBee的開(kāi)放性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)及應(yīng)用方案

ZigBee 是一種低功耗、低成本的新型短距離無(wú)線通信

開(kāi)放性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它工作頻段靈活 ， 使用的頻段分別為

2 。 4 GHz 、868 M Hz （ 歐洲） 及 915 M Hz （ 美國(guó)） ，均為免執(zhí)照頻段; 傳輸速率為 250 kbp s ， 有效傳輸距離為 10 ～

75 m 。通過(guò)在發(fā)射端加功率放大器還可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)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(yīng)用

到庫(kù)存管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工業(yè)過(guò)程控制、災(zāi)害地區(qū)監(jiān)測(cè)、生物監(jiān)測(cè)和監(jiān)督、定位及消防安全等領(lǐng)域。雖然實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音通信不是 ZigBee 聯(lián)盟最初的目標(biāo) ，但是 ，在許多領(lǐng)域

（ 如消防搶險(xiǎn)） 中沒(méi)有語(yǔ)音通信功能 ，將使其應(yīng)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 kp s ，實(shí)際速率也能滿足語(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(xiàn)了語(yǔ)音通信。

1 總體方案構(gòu)架

ZigBee 語(yǔ)音通信系統(tǒng)的架構(gòu)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(xiàn)語(yǔ)音通信?？傮w框圖如圖 1 所示。

?

圖 1 語(yǔ)音通信系統(tǒng)總體框圖

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(xiàn)對(duì)麥克風(fēng)接收的語(yǔ)音電信號(hào)進(jìn)行放大處理。

語(yǔ)音前置濾波器： 完成對(duì)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(duì)語(yǔ)音模擬電信號(hào)

的采集 ，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>數(shù)字信號(hào) ，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(yǔ)音時(shí) ，讀取射頻收發(fā)器緩存器的數(shù)據(jù) ， 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(shù)據(jù)的收/ 發(fā) ，接收/ 發(fā)送該設(shè)備的

數(shù)據(jù) ，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式處理器。

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

?

語(yǔ)音后置放大器： 對(duì)經(jīng)過(guò)濾波以后的語(yǔ)音信號(hào)放大 ，

最后輸出到耳機(jī) ，實(shí)現(xiàn)最終的語(yǔ)音通信。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

2 。 1 器件選型

嵌入式處理器選用A Tmega128L單片機(jī)。ATmega128L

是 At mel 公司推出的低功耗、高性能 MCU 。其內(nèi)核為

AV R ，具有先進(jìn)的 RISC 架構(gòu) ， 內(nèi)部具有 133 條功能強(qiáng)大

的指令系統(tǒng) ，且大部分指令是單周期; 具有 2 個(gè) 8 位定時(shí)

器/ 計(jì)數(shù)器和 2 個(gè)具有比較/ 捕捉寄存器的 16 位定時(shí)器/

計(jì)數(shù)器 ，2 通道位數(shù)可編程 PWM 通道 ，8 路 10 位 A/ D 轉(zhuǎn)

換器 ，主/ 從 SPI 串行接口 ，可編程串行通信接口以及片內(nèi)精確的模擬比較器等。CPU 可工作在 IDL E 、POWER2

SAV E 、POWERDOWN 、STAND YB Y 等幾種省電模式。

A Tmega128L 的軟件結(jié)構(gòu)也是針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)的 ，具有

內(nèi)外多種中斷模式;豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中查

詢的需要 ，可以方便地設(shè)計(jì)出中斷程序結(jié)構(gòu)的控制程序、上電復(fù)位和可編程的低電壓檢測(cè) ， 工作電壓為 2 。 7 ～

5 。 5 V 。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以充分利用其 8 路 10 位 A/ D 轉(zhuǎn)換

器和 2 通道位數(shù)可編程 PWM 通道 ，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的 A/ D

轉(zhuǎn)換和 D/ A 轉(zhuǎn)換 ， 從而省去獨(dú)立的 A/ D 轉(zhuǎn)換器和 D/ A

轉(zhuǎn)換器 ，且成本更加低廉 ，系統(tǒng)更加精簡(jiǎn) ，更加穩(wěn)定可靠。

同時(shí) ，考慮到該 MCU 的低功耗特點(diǎn) ， 可以使系統(tǒng)一次工作更長(zhǎng)的時(shí)間。

無(wú)線發(fā)射器選用 Chipcon 公司的 CC2420 。CC2420 的

主要特點(diǎn)： 具有 2 Mchips/ s 直接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和

250 kbps 的有效數(shù)據(jù)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 。 7 mA ，發(fā)射 17 。 4 mA） ; 低

電源電壓要求（ 使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時(shí) 2 。 1～3 。 6 V ，使用

paper @mesnet. com. cn （投稿專用） 2007 年第 3 期 Microcontrollers & Embedded Systems 77

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?

外部電壓調(diào)節(jié)器時(shí) 1 。 6 ～2 。 0 V） ; 可編程輸出功率; 獨(dú)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 L MV324 。

L MV324 （ 四通道） 放大器在 2 。 7 V 以下消耗的最大供電電流為120 μA ，在5 V 下一般只消耗100 μA ，較同級(jí)器件的功耗低 20 % ，而且價(jià)格低廉 ，該系統(tǒng)每個(gè)設(shè)備需要 4 個(gè)

運(yùn)算放大器 ，充分利用該器件。

2 。 2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)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; R11

和 C9 構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的一級(jí)低通濾波器。另外 ，R5 可以在放大器輸出短路的情況下 ，對(duì)放大器起保護(hù)作用。語(yǔ)音接

收電路由 5 級(jí)低通 Chebychev 濾波器和 1 級(jí)電壓跟隨器構(gòu)成。濾波器電路由兩個(gè)相互交錯(cuò)的 2 級(jí) 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(gòu)成。這 3 個(gè)濾波器的截止頻率彼此稍微有點(diǎn)錯(cuò)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(shè)置在4 000 Hz ，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(xiàn)

3 。 1 發(fā)送端軟件實(shí)現(xiàn)

發(fā)送端軟件主要完成語(yǔ)音電壓信號(hào)的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換 ，并

?

圖 2 語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)硬件電路

將數(shù)據(jù)按照 ZigBee 協(xié)議規(guī)定的最大幀長(zhǎng)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(luò)設(shè)備。A Tmega128L 的主頻是8 M Hz ，ADC 時(shí)鐘采取

64 分頻 ， 每次轉(zhuǎn)換需要 13

個(gè) ADC 周期 ， 完成一次轉(zhuǎn)換需要 112 μs ; 采用單次轉(zhuǎn)換模式 ，如果按照 8 k Hz 采樣 ， 則每次采樣時(shí)間是

125 μs ; 采用定時(shí)器 T/ C1 ，

則每到 125 μs 產(chǎn)生一次中

斷 ，并在中斷處理程序中讀取A/ D轉(zhuǎn)換的值 ， 同時(shí)啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。發(fā)送端程序流

程如圖 3 所示。 圖 3 發(fā)送端程序流程

3 。 2 中間層軟件實(shí)現(xiàn)

發(fā)送端獲取了 A/ D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果 ，并存儲(chǔ)于所開(kāi)設(shè)的

緩存中; 中間層在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ， 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(luò)層 MAC 層和物理層的

幀頭 ，將數(shù)據(jù)通過(guò) SPI 總線發(fā)送到射頻發(fā)射芯片的發(fā)送

FIFO 中。ZigBee 設(shè)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(shè)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(jī)分配的。因此要對(duì)特定設(shè)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(shù)

據(jù) ，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(shè)

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) Chip2

con 的 ZigBee 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。程序

功能實(shí)現(xiàn)流程如圖 4 所示。接收

數(shù)據(jù)時(shí) ，首先射頻發(fā)射芯片監(jiān)聽(tīng)信道中的數(shù)據(jù) ， 通過(guò)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送該設(shè)備。如果是 ， 則讀取

該數(shù)據(jù)到接收 FIFO ， 然后觸發(fā) ，

通過(guò) SPI 總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到

MCU ; 通過(guò) MCU 處理 ，去掉各層