基于MCF5213及Zigbee無(wú)線

摘要：  本文介紹了基于Freescale Coldfire處理器系列的MCF5213芯片，以及Zigbee無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：  MCF5213；音頻采集；Zigbee

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(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)G.726格式的語(yǔ)音編解碼軟件，碼流低、音效好。同時(shí)處理器具有低功耗特性，其內(nèi)部的模塊化時(shí)鐘可以在所有運(yùn)行模式下啟用和停用，內(nèi)部PLL電路可以對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行靈活的設(shè)置，其最大電流通常不超過(guò)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(chǔ)空間以及SRAM，可以容納mC/OS-II操作系統(tǒng)在片內(nèi)存儲(chǔ)和運(yùn)行，省去了一般嵌入式系統(tǒng)所需的外圍存儲(chǔ)芯片，簡(jiǎn)化了外圍設(shè)計(jì)電路，也使得系統(tǒng)的整體成本大大降低。

圖1  MCF521X處理器內(nèi)部架構(gòu)

除了處理器內(nèi)置的存儲(chǔ)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(gè)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。

圖2：MCF5213內(nèi)置資源可擴(kuò)展豐富外設(shè)

HHCF5213對(duì)講機(jī)構(gòu)

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

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

系統(tǒng)構(gòu)成

G.726實(shí)時(shí)音頻編解碼

簡(jiǎn)單的音頻采集回放過(guò)程：從麥克風(fēng)輸入的音頻信號(hào)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(gè)積分電路、放大電路，輸出音頻信號(hào)。如圖4所示。

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(wú)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(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行G.726的壓縮編碼、解碼所需時(shí)間約為80us，所以系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的G.726壓縮編解碼。

G.726編碼簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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?yún)?shù)為一個(gè)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(shí)，需要一個(gè)由運(yùn)放構(gòu)成的積分放大電路。

對(duì)講系統(tǒng)軟件采用mc/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編程，例程從略。

Zigbee無(wú)線音頻傳輸

Zigbee于2004年底通過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)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(wú)線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高?？梢灶A(yù)計(jì)Zigbee將廣泛應(yīng)用到包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(jì)幾乎不需要外部元件；
*可編程的時(shí)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(yùn)行)，7條GPIO線路；
*可編程的輸出功率，為0 dBm~3.6dBm；
*在分組錯(cuò)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(gè)信道。

圖5：Zigbee系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Zigbee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)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(shuō)，基于HHCF5213-R1系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接音頻雙向傳輸，也可以通過(guò)Zigbee的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和互傳,如圖6所示。

圖6  點(diǎn)對(duì)點(diǎn)音頻無(wú)線傳輸系統(tǒng)功能框圖

結(jié)語(yǔ)

基于MCF5213處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，以及Zigbee無(wú)線技術(shù)的高可靠性、低功耗的無(wú)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。