基于USB主機(jī)和ZigBee的無線音響系統(tǒng) （二）

　4 協(xié)議的實(shí)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(shí)現(xiàn)一定功能的實(shí)體。每個(gè)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(jī)上之后，首先要接受主機(jī)枚舉，提供描述符。在得到主機(jī)的允許之后，設(shè)備就可以分得的USB 帶寬，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

　　系統(tǒng)通過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)線上的電平變化檢測(cè)到USB設(shè)備的接入與移出，接著主機(jī)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(jī)復(fù)位設(shè)備->主機(jī)給設(shè)備供電->設(shè)備通過缺省的地址0 與主機(jī)通信->主機(jī)給設(shè)備分配地址->主機(jī)請(qǐng)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(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的USB 活動(dòng)。以上是主機(jī)軟件的第一部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)特定的程序加以支持。

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

圖4 USB 主機(jī)的軟件流程。

　　整個(gè)主機(jī)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要可以分為以下三點(diǎn)：

　?、賳纹瑱C(jī)與接口芯片通信的實(shí)現(xiàn)。②主機(jī)最底層數(shù)據(jù)包發(fā)送的實(shí)現(xiàn)。③請(qǐng)求命令的實(shí)現(xiàn)。1,2,3,層層遞進(jìn)，一級(jí)比一級(jí)高級(jí)。

4.2 ZigBee 協(xié)議

　　ZigBee協(xié)議棧建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、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(duì)象（ZDO）和應(yīng)用對(duì)象。APS提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口；ZDO負(fù)責(zé)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于在智能家居中多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 因而本論文主要對(duì)星型拓?fù)溥M(jìn)行組網(wǎng)和測(cè)試。

　　5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　5.1MSP430控制讀取U盤數(shù)據(jù)

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

　　（1）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(jì)的基礎(chǔ)。

　　FAT文件系統(tǒng)有固定的格式，主要分為主引導(dǎo)扇區(qū)、引導(dǎo)扇區(qū)、文件目錄表和數(shù)據(jù)區(qū)等幾個(gè)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(dǎo)區(qū)和引導(dǎo)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(hào)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(gè)文件的簇號(hào)，這些都為正確地定位MP3文件打基礎(chǔ)。

　　（2）獲得MP3文件個(gè)數(shù)，在這個(gè)程序中僅僅查詢根目錄下MP3格式的文件個(gè)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(gè)文件的文件目錄表占用32個(gè)字節(jié)空間，該空間的第9、10、11位為文件的擴(kuò)展名，可以把每個(gè)文件的擴(kuò)展名和MP3格式文件的擴(kuò)展名相比，進(jìn)而得到總的MP3格式文件個(gè)數(shù)。

　?。?）通過文件目錄表找到MP3文件所在的簇號(hào)之后就可以得到文件的物理地址，進(jìn)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(jìn)而對(duì)解碼器和接口模塊進(jìn)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(jì)

　　ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)由三種節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，在本文中即為ZigBee 主節(jié)點(diǎn)；路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由；終端設(shè)備連接解碼器，實(shí)現(xiàn)音頻輸出。

　　網(wǎng)絡(luò)組建過程主要包括以下三個(gè)過程：

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

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，其它普通節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，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(rèn)證信息，即可請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功地接收一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，或者子節(jié)點(diǎn)成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器匯報(bào)[8].圖5 是節(jié)點(diǎn)加入及脫離網(wǎng)絡(luò)握手示意圖。

圖5 節(jié)點(diǎn)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

　?。?）MP3播放器初始化處理子函數(shù)。

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

　?。?）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(qǐng)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(jì)借助嵌入式USB 主機(jī)和ZigBee 無線通信技術(shù)，為家用音響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(kuò)展性和實(shí)用價(jià)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(jì)中。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將嵌入式USB 主機(jī)和ZigBee 技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于家用無線音響系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸，實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，方便擴(kuò)展，價(jià)格低廉，是一種有效的解決方案。