基于MCF5213及Zigbee技术实现无线对讲系统

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基于MCF5213及Zigbee技术实现无线对讲系统

摘要：本文介绍了基于Freescale Coldfire处理器系列的MCF5213芯片，以及Zigbee无线通讯技术实现无线对讲系统的参考设计。

关键词： MCF5213；音频采集；Zigbee

硬件架构

MCF5213处理器

    MCF5213是Freescale半导体公司Coldfire系列嵌入式处理器中一款低成本、低功耗的32位微处理器。它提供了一个电路设计简单的单片式处理器解决方案，最高可配置256KB高性能、近乎单点接入、隔行扫描的可靠嵌入式闪存。MCF5213具有BGA和QFP两种封装，主频最高为80MHz。

    MCF521X处理器内部集成乘加器 (MAC)完成类似DSP的功能，可以实现G.726格式的语音编解码软件，码流低、音效好。同时处理器具有低功耗特性，其内部的模块化时钟可以在所有运行模式下启用和停用，内部PLL电路可以对系统时钟进行灵活的设置，其最大电流通常不超过1mA/MHz。

    图1为MCF521X系列处理器内部架构图，MCF5213内置32KB SRAM、256KB Flash。MCF521X处理器的Flash 存储空间以及SRAM，可以容纳mC/OS-II操作系统在片内存储和运行，省去了一般嵌入式系统所需的外围存储芯片，简化了外围设计电路，也使得系统的整体成本大大降低。


图1  MCF521X处理器内部架构

    除了处理器内置的存储器外，MCF521X系列处理器还集成了丰富的外设接口，以便于与其他系统的互连。外设包括：三个异步收发器(UART)、I2C、QSPI、GPIO、A/D、PWM、CAN总线等资源。如图2所示，可方便的扩展其他功能及和外部通讯。


图2：MCF5213内置资源可扩展丰富外设

HHCF5213对讲机构

    基于MCF5213处理器丰富的片内资源及低功耗设计，华恒科技提供的HHCF5213-R1 Zigbee无线音频对讲系统架构如图3所示。


图3  基于MCF5213及Zigbee无线技术的音频应用系统框图
系统构成

G.726实时音频编解码

    简单的音频采集回放过程：从麦克风输入的音频信号经AD转换，在CPU内进行G.726的压缩编码、解码后，从PWM口输出，再经一个积分电路、放大电路，输出音频信号。如图4所示。


图4  音频回放流程图

    音频采集由M5213处理器内部的AD接口直接支持，无须额外的Codec芯片及复杂的电路。音频采样率设为8kHz，即每隔125us采样一次；而对一个数据点进行G.726的压缩编码、解码所需时间约为80us，所以系统可以实现实时的G.726压缩编解码。

    G.726编码简单来说就是把16bit的音频数据压缩为2bit的数据,解码则是把2bit的数据恢复成16bit的数据。目前我们提供的G.726编解码已经做成模块的形式，直接进行函数调用即可，在模块里进行音频数据的G.726压缩编解码。传入参数为一个指向音频数据的指针，传出参数编码、解码后的音频数据。将PWM用作D/A口解码输出音频时，需要一个由运放构成的积分放大电路。

    对讲系统软件采用mc/OS-II嵌入式实时操作系统实现编程，例程从略。
Zigbee无线音频传输

    Zigbee于2004年底通过IEEE802.15.4标准，是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线传输将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。可以预计Zigbee将广泛应用到包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等领域。

    图5为Freescale提供的符合IEEE 802.15.4标准的MC13192射频数据调制解调器及系统框图。MC13192的特性包括：
*根据IEEE 802.15.4标准的Zigbee技术；
*全频谱编码和译码；
*经济高效的CMOS设计几乎不需要外部元件；
*可编程的时钟，供基带MCU使用；
*标准的4线SPI接口(以4MHz或更高频率运行)，7条GPIO线路；
*可编程的输出功率，为0 dBm~3.6dBm；
*在分组错误率为1%的情况下，其接收灵敏度达到-92dBm(典型值)；
*采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250kbps，共有16个信道。


图5：Zigbee系统结构框图

    Zigbee是以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状网络，因此,每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，称为精简功能设备；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备(也称为协调器)。也就是说，基于HHCF5213-R1系统，可以实现点对点的直接音频双向传输，也可以通过Zigbee的网关来实现无线数据的中转和互传,如图6所示。


图6  点对点音频无线传输系统功能框图
结语

    基于MCF5213处理器和实时操作系统uC/OS-II，以及Zigbee无线技术的高可靠性、低功耗的无线连接功能，可用于低码流音频、数据传输。华恒科技可提供有关开发工具及技术支持。