基于MCF5213及Zigbee無線的無線對講系統(tǒng) - 全文

　　硬件架構(gòu)

　　MCF5213處理器

　　MCF5213是Freescale半導(dǎo)體公司Coldfire系列嵌入式處理器中一款低成本、低功耗的32位微處理器。它提供了一個電路設(shè)計簡單的單片式處理器解決方案，最高可配置256KB高性能、近乎單點接入、隔行掃描的可靠嵌入式閃存。MCF5213具有BGA和QFP兩種封裝，主頻最高為80MHz。

　　MCF521X處理器內(nèi)部集成乘加器 (MAC)完成類似DSP的功能，可以實現(xiàn)G.726格式的語音編解碼軟件，碼流低、音效好。同時處理器具有低功耗特性，其內(nèi)部的模塊化時鐘可以在所有運行模式下啟用和停用，內(nèi)部PLL電路可以對系統(tǒng)時鐘進(jìn)行靈活的設(shè)置，其最大電流通常不超過1mA/MHz。

　　圖1為MCF521X系列處理器內(nèi)部架構(gòu)圖，MCF5213內(nèi)置32KB SRAM、256KB Flash。MCF521X處理器的Flash 存儲空間以及SRAM，可以容納mC/OS-II操作系統(tǒng)在片內(nèi)存儲和運行，省去了一般嵌入式系統(tǒng)所需的外圍存儲芯片，簡化了外圍設(shè)計電路，也使得系統(tǒng)的整體成本大大降低。

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　　圖1 MCF521X處理器內(nèi)部架構(gòu)

　　除了處理器內(nèi)置的存儲器外，MCF521X系列處理器還集成了豐富的外設(shè)接口，以便于與其他系統(tǒng)的互連。外設(shè)包括：三個異步收發(fā)器(UART)、I2C、QSPI、GPIO、A/D、PWM、CAN總線等資源。如圖2所示，可方便的擴(kuò)展其他功能及和外部通訊。

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　　圖2：MCF5213內(nèi)置資源可擴(kuò)展豐富外設(shè)

　　HHCF5213對講機構(gòu)

　　基于MCF5213處理器豐富的片內(nèi)資源及低功耗設(shè)計，華恒科技提供的HHCF5213-R1 Zigbee無線音頻對講系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

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　　圖3 基于MCF5213及Zigbee無線技術(shù)的音頻應(yīng)用系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)構(gòu)成

　　G.726實時音頻編解碼

　　簡單的音頻采集回放過程：從麥克風(fēng)輸入的音頻信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，在CPU內(nèi)進(jìn)行G.726的壓縮編碼、解碼后，從PWM口輸出，再經(jīng)一個積分電路、放大電路，輸出音頻信號。如圖4所示。

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　　圖4 音頻回放流程圖

　　音頻采集由M5213處理器內(nèi)部的AD接口直接支持，無須額外的Codec芯片及復(fù)雜的電路。音頻采樣率設(shè)為8kHz，即每隔125us采樣一次;而對一個數(shù)據(jù)點進(jìn)行G.726的壓縮編碼、解碼所需時間約為80us，所以系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時的G.726壓縮編解碼。

　　G.726編碼簡單來說就是把16bit的音頻數(shù)據(jù)壓縮為2bit的數(shù)據(jù),解碼則是把2bit的數(shù)據(jù)恢復(fù)成16bit的數(shù)據(jù)。目前我們提供的G.726編解碼已經(jīng)做成模塊的形式，直接進(jìn)行函數(shù)調(diào)用即可，在模塊里進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的G.726壓縮編解碼。傳入參數(shù)為一個指向音頻數(shù)據(jù)的指針，傳出參數(shù)編碼、解碼后的音頻數(shù)據(jù)。將PWM用作D/A口解碼輸出音頻時，需要一個由運放構(gòu)成的積分放大電路。

　　對講系統(tǒng)軟件采用mc/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)編程，例程從略。

　　Zigbee無線音頻傳輸

　　Zigbee于2004年底通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線傳輸將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高?？梢灶A(yù)計Zigbee將廣泛應(yīng)用到包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等領(lǐng)域。

　　圖5為Freescale提供的符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的MC13192射頻數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器及系統(tǒng)框圖。MC13192的特性包括：

　　*根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee技術(shù);

　　*全頻譜編碼和譯碼;

　　*經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)計幾乎不需要外部元件;

　　*可編程的時鐘，供基帶MCU使用;

　　*標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI接口(以4MHz或更高頻率運行)，7條GPIO線路;

　　*可編程的輸出功率，為0 dBm~3.6dBm;

　　*在分組錯誤率為1%的情況下，其接收靈敏度達(dá)到-92dBm(典型值);

　　*采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù)，最大速率為250kbps，共有16個信道。

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　　圖5：Zigbee系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　Zigbee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此,每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設(shè)備;而另外還有一些節(jié)點，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備(也稱為協(xié)調(diào)器)。也就是說，基于HHCF5213-R1系統(tǒng)，可以實現(xiàn)點對點的直接音頻雙向傳輸，也可以通過Zigbee的網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和互傳,如圖6所示。

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　　圖6 點對點音頻無線傳輸系統(tǒng)功能框圖

　　結(jié)語

　　基于MCF5213處理器和實時操作系統(tǒng)uC/OS-II，以及Zigbee無線技術(shù)的高可靠性、低功耗的無線連接功能，可用于低碼流音頻、數(shù)據(jù)傳輸。華恒科技可提供有關(guān)開發(fā)工具及技術(shù)支持。