【正文】 硬件電路的設(shè)計 ①語音的采集電路，首先要選擇語音采集芯片 — APR9600，下圖為芯片 APR9600管腳排列： 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 32 圖 36 芯片 APR9600 管腳排列 注： 表 32 管腳功能說明 管腳 功能 管腳 功能 M1 第一段控制或連續(xù)錄放控制（低電平有效） 1 SP 外接喇叭負端 M2 第一段控制或連續(xù)快進控制（低電平有效） 1 VCCA 模擬電源正端 M3 第三段控制（低電平有效） 1 MICIN 話筒輸入端 M4 第四段控制（低電平有效） 1 MICREF 話筒輸入基準確 M5 第五段控制（低電平有效） 1 AGC 自動增益控制端 M6 第六段控制（低電平有效） ANAIN 線路輸入端 OSCR 震蕩電阻 2 ANAOUT 線路輸入端（話筒 放大器輸出端） M7 第七段控制及片溢出指示（低電平有效） 2 STROBE 工作期間閃爍指示燈輸出端（低電平有效） M8 第八段控制（低電平有效）及操作模式選項 2 CE 復(fù)位、停止或啟動鍵、停止鍵（高電平有效） BUSY 忙信號輸出（工作時為 0，平時為 1） 2 MSEL1 模式設(shè)置端 1 BE 鍵聲選擇（按 1 為有鍵聲， 0 則無） 。接收語音時，讀取射頻 收發(fā)器 FIFO緩存的語音數(shù)據(jù)，并由 PWM通道輸出，以完成語音播放。 35 圖 語音通信平臺 各個部分的主要功能： APR9600：通過話筒接受到的語音，經(jīng)過芯片的處理得到的模擬信號就發(fā)送給2430處理；從 2430模塊接受到的語音通過一系列的處理就可以直接驅(qū)動喇叭實現(xiàn)語音的輸出。 硬件總體構(gòu)架 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 31 語音通信系統(tǒng)的總體架構(gòu)為：以 CC2430 ZigBee單芯片為核心，利用其 8051單片機內(nèi)核的 ADC外設(shè)完成對語音信號的 A/D轉(zhuǎn)換，利用 PWM功能構(gòu)成 DAC完成語音的播放，數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過片內(nèi)的 RF前端完成，外圍附加放大與濾波電路。另外其使用的某些器件如 32MHz 3mm*，價格也較高，故換成5mm*6mm的，體積略大但不會有太大影響，價格便宜也容易購買。 TI提供了模塊的參考設(shè)計，故可以作為參考。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電， C241和 C421電容是去耦合電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。用 1個 32 MHz的石英諧振器（ XTAL1）和 2個電容（ C191和 C211）構(gòu)成一個 32 MHz的晶振電路。內(nèi)部 T/R交換電路完成 LNA和 PA之間的交換。電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。 CC2430 芯片的典型電路應(yīng)用 圖 33 CC2430 芯片的典型硬件應(yīng)用電路 [6] CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。電源線引腳主要作用是為 I/O、模擬電路、 RF電路、數(shù)字電路提供電壓。 3）全部 21個數(shù)字 I/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。 I/O口有下面的關(guān)鍵特性： 1）可設(shè)置為通常的 I/O口，也可設(shè)置為外圍 I/O口使用。 CC2430有 21個可編程的 I/O口引腳， P0、 P1口是完全的 8位口， P2口只有 5個可使用的位。 圖 32 CC2430 引腳頂視圖 [8] 注： CC2430芯片采用 7 mm 7mm QLP封裝，共有 48個引腳。 支持硬件調(diào)試功能 外設(shè) CSMA/CA 硬件支持 數(shù)字化 RSSI / LQI 支持 電池電壓檢測和溫度感測 8 路 12 位 ADC 分辨率可配置 集成 AES 安全協(xié)處理器 2 個增強的 USARTS 可支持幾組串行協(xié)議 21 I/O ，其中 2 個具備 20ma 吸入電流 /供電電流能力 西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 28 開發(fā)工具 強大和靈活的開發(fā)工具 應(yīng)用領(lǐng)域 GHz IEEE 系統(tǒng) /Zigbee 系統(tǒng) 家具智能化 工業(yè)控制和監(jiān)視 低功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò) PC 外設(shè) /機頂盒及遙控，消費電子 CC2430芯片的引腳功能 如下 CC2430芯片的頂視圖。 CC2430芯片的主要特點如下： a、 高性能和低功耗的 805 微控制器核； b、 集成符合 標準的 RF 無線電收發(fā)機； c、 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性； d、 在休眠模式下僅 的電流損耗，外部的中斷或 RTC 能喚醒系統(tǒng)；在待機模式下低于 的電流損耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)； e、 硬件支持 CSMA/CA 功能； f、 較寬的電壓范圍（ ~）； g、 數(shù)字化的 RSSI/LQI 支持和強大的 DMA 功能； h、 具有電池檢測和溫度感測功能； i、 集成了 14 位摸 /數(shù)轉(zhuǎn)換的 ADC； j、 集成 AES 安全協(xié)處理器； k、 帶有 2 個強大的支持幾組協(xié)議的 USART，以及七個符合 IEEE 規(guī)范的 MAC 計時器、 1 個常規(guī)的 16 位計時器和 2 個 8 位計時器； l、 Zigbee/ 全兼容的硬件層、物理層； m、 集成 1 個高精度定位跟蹤引擎； n、 較少外圍電路； o、 強大和靈活的開發(fā)工具 。 CC2430芯片采用 m CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為 27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27 mA或 25 mA。 CC2430芯片延用了以往 CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了 ZigBee射頻（ RF）前端、內(nèi)存和微控制器。這種解決方案能夠提高性能并西南科技大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)論文 26 滿足以 ZigBee為基礎(chǔ)的 ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶 3個版本，即 CC2430F32/64/128，分別對應(yīng)內(nèi)置閃存 32/6 4/128 KB。 CC2430 無線單片機介紹 CC2430是 TIChipcon公司推出的用來 實現(xiàn)嵌入式 ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。此外，像網(wǎng)絡(luò)配置、應(yīng)用 Profile 建立和系統(tǒng)調(diào)試這樣的工具是使 CC2430 和ZStack 結(jié)合的額外要素。 CC2430 還具有強大的完整的開發(fā)環(huán)境（ IDE）。自動增益控制，信道過濾，解調(diào) 在數(shù)字域完成以獲得高精確度及空間利用率。 CC2430 的接收器是基于低 中頻結(jié)構(gòu)之上的，從天線接收 RF 信號經(jīng)低噪聲放大器放大并經(jīng)下變頻變?yōu)?2MHz的中頻信號。 CC2430 包括四個定時器，此外， CC2430 內(nèi)集成了實時時鐘、上電 復(fù)位、 8通道 8 位 12 位 ADC 等其他外設(shè)。 CC2430集成了 4 個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作。 在 CC2430 內(nèi)有 8K 字節(jié)靜態(tài) RAM，其中的 4K 字節(jié)是超低功耗 SRAM。 針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時對 MCU 處理能力的要求， CC2430 包 含一個增強型工業(yè)標準的 8 位 8051 微控制器內(nèi)核，運行時鐘為 32MHz。 CC2430 的設(shè)計結(jié)合了 8KB 的 RAM 及強大的外圍模塊，并且有 3 種不同的版本，根據(jù)不同的閃存空間 32KB、 64KB和 128KB 來劃分，以得到復(fù)雜度與成本的最優(yōu)化組合。它包含一個高性能 DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器。單個芯片即可以構(gòu)成標準的 ZigBee 終端產(chǎn)品，因此可以在很大程度上降低產(chǎn)品成本，并縮短新產(chǎn)品的上市時間。這是Eclipsebased 的綜合開發(fā)環(huán)境，讓開發(fā)人員就整個網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用作開發(fā)及除錯。 Ember： EM250ZigBee 系統(tǒng)晶片及 EM260 網(wǎng)絡(luò)處理器 兩款晶片均嵌入了 Ember 的 EmberZNet─現(xiàn)時第二代 ZigBee 通訊協(xié)定，專為使用包括網(wǎng)狀、星狀及群樹形等多種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)而設(shè)的自動組網(wǎng)及自動重構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，并提供所有與 ZigBee 設(shè)定與標準相關(guān)的優(yōu)勢 可靠、安全、廣泛的互用性，低成本，長的電池壽命及整合的網(wǎng)絡(luò)管理。該路由算法的主要思想是按需路由和最短路徑開銷路由選擇。 樹狀網(wǎng)絡(luò)路由機制：節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)消息時，通過計算與目標端設(shè)備之間的地址關(guān)系，從而決定向自己的父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，還是向自己的某一子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。 星狀網(wǎng)絡(luò)路由機制：只存在終端設(shè)備 ZE與協(xié)調(diào)器 ZC之間的通訊。 分布式地址分配機制，主要基于 nwkMaxDepth、 nwkMaxehildren及nwkMaxRouters 三個參數(shù)，如下表所示： 表 210 地址分配算法參數(shù)表 [5] 參數(shù)名稱 簡稱 描述 nwkMaxDepth Lm 網(wǎng)絡(luò)的最大深度 nwkMaxehildren Cm 表示一個父節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)，包括路由或終端子節(jié)點 nwkMaxRouters Rm 父節(jié)點允許的路由子節(jié)點的最大個數(shù) 由這三個參數(shù)，結(jié)合式 ，得出每層的潛在父節(jié)點（ ZR）地址偏移值 Cskip 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 18 （ d）， d 表示深度， Cskip(d)表示 d+l層的潛在父節(jié)點間的地址偏移量，也就是潛在父節(jié)點所能擁有的地址塊尺寸大小。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，由其父節(jié)點分配給它。 表 29 NWK 命令幀 [5] 命令幀標識符 命令幀 0x01 路徑請求 0x02 路徑應(yīng)答 0x03 路徑錯誤 0x04 離開網(wǎng)絡(luò) 0x00,0x050xFF 保留 組網(wǎng)管理 組網(wǎng)管理所涉及到 的 NWK 層功能如下： a、 PAN 協(xié)調(diào)器（ PANCoordinator）負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)； b、 PAN 協(xié)調(diào)器和路由器需允許設(shè)備加入和離開網(wǎng)絡(luò)； c、 PAN 協(xié)調(diào)器和路由器負責(zé)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址的分配及鄰接表的維護； d、網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備，都需具備申請加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的功能。 命令幀：其 NWK 負荷域第一個字節(jié)為 NWK 命令標識符，其后為長度可變的 NWK 命令負荷。 獨立的幀類型格式 NWK 幀包括數(shù)據(jù)幀和命令幀。 e、路由半徑域：指出該幀的最大傳輸半徑覆蓋范圍，每被設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)一次，該值就減 1，當值為 0 時，該幀不再被轉(zhuǎn)發(fā)。格式如下圖： 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 16 表 26 通用的 NWK 幀格式 [5] 字節(jié)： 2 2 2 1 1 長度可變 幀控制域 目標端設(shè)備地址 源端設(shè)備地址 路由半徑 序列 號 幀數(shù)據(jù)單元 路由信息域 NWK頭 NWK 負荷 說明： a、幀頭的幀控制域含：幀類型，協(xié)議版本，路徑搜索及安全位四個子域。幀頭包括幀控制域和路由信息域，其 中路由信息域含目標端設(shè)備地址，源端設(shè)備地址，路由半徑及序列號四部分。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層（ NWK）位于媒體訪問控制層（ MAC）和應(yīng)用層（ APL）之間，主 要功能如 下： a、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ NPDU）處理； b、信息路由； c、組網(wǎng)管理； NPDU 數(shù)據(jù)單元處理 NWK 幀分為數(shù)據(jù)幀和命令幀。 orphan信道掃描過程，節(jié)點首先發(fā)送 orphan notification命令幀，只有原父節(jié)點聽到該幀后才會反饋 coordinator realignment 命令幀，這一過程只允許在aResponsewaitTime 時間內(nèi)完成。 3） 、 orphan掃描 當節(jié)點與自己的父節(jié)點失去聯(lián)系，它就需要使用 orphan掃描嘗試重新建立與原關(guān)聯(lián)父節(jié)點的聯(lián)系。主要用于起動網(wǎng)絡(luò)時避免 PANID 沖突，及設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)選擇一最 佳父節(jié)點加入。 待 phyChannelssupported 中的所有信道全部測試完畢， MAC 層向上層反饋一 原語，告知此次 ED 掃描狀態(tài)結(jié)果。 每個信道的掃描過程是先設(shè)置信道號，然后對該信道進行多次 ED 測試，直到耗盡最長時間 aBasesuperframeDuration*（ Zn+l）（ n是 MLM 原語中 Scanduration），然后將此次所有測試的 最大 ED值記錄下來，作為該信道的 ED 測量值。 圖 24 有應(yīng)答的成功數(shù)據(jù)傳輸 [1] MAC 層的各種掃描 MAC 層向上層提供了三種掃描： a、 ED（ EnergyDetect）掃描：用于 PAN 建立前選擇合適信道的信道； b、 Active 掃描：用于獲取物理通訊范圍內(nèi)所有父節(jié)點信標幀的信道； c、 orphan掃描：用于與父節(jié)點失去聯(lián)系的節(jié)點重新建立關(guān)聯(lián)； 1）、 ED 掃描 ED 信道掃描，即對目標信道中接收信號的功率 強度測量，以得出指定信道現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)的活躍程度。若發(fā)送端在定時器超時之前接收到該應(yīng)答幀，確認其序列號與原幀相同后，停止該定時器計數(shù)，并向上層反饋一成功確認，否則，