基于USB主机和ZigBee的无线音响系统 （二）

　4 协议的实现

　　4.1 USB 协议

　　USB 设备就是能够通过USB 来发送和接收数据，从而实现一定功能的实体。每个USB 设备都具有表明自身能力和所需资源的描述符。在设备第一次连接到主机上之后，首先要接受主机枚举，提供描述符。在得到主机的允许之后，设备就可以分得的USB 带宽，进行数据传输了。

　　系统通过简单的数据线上的电平变化检测到USB设备的接入与移出，接着主机和外设就按照事先约定的顺序执行一系列的信息交换，也就是主机复位设备->主机给设备供电->设备通过缺省的地址0 与主机通信->主机给设备分配地址->主机请求设备的一系列功能和设备描述符…，因此，在程序中，通过顺序的编程和中断的调度，就可以完成主机系统的标准的USB 活动。以上是主机软件的第一部分，主要实现对外设的配置，读取外设的信息，从而判断该设备属于USB 的哪一类，并确定下一步选用哪个特定的程序加以支持。

　　单片机系统中，限于系统的性能和要求，只需要支持某几个特定的类就可以了。本系统是一个在USBFlash 存储器中的应用，这个USB 主机需要支持的就是USB 的Mass Storage 类，那么程序就要实现USB的Mass Storage 类所规定的各种命令。主机的程序流程如图4 所示。

图4 USB 主机的软件流程。

　　整个主机协议的实现主要可以分为以下三点：

　　①单片机与接口芯片通信的实现。②主机最底层数据包发送的实现。③请求命令的实现。1,2,3,层层递进，一级比一级高级。

4.2 ZigBee 协议

　　ZigBee协议栈建立在IEEE802.15.4标准之上，该标准制定了物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范。ZigBee联盟则定义了其上的网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务规范。

　　物理层提供了基本的物理无线通信能力；MAC层提供设备间的可靠性授权和单跳通信连接服务；ZigBee协议栈的核心部分在网络层，主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能；应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用对象。APS提供了网络层和应用层之间的接口；ZDO负责所有设备的管理，如初始化设备的发现和建立安全关系等功能。

　　ZigBee采用自组织方式组网，支持星形网、网状网和簇状网等多种拓扑结构。由于在智能家居中多采用星型拓扑结构， 因而本论文主要对星型拓扑进行组网和测试。

　　5 系统软件设计

　　5.1MSP430控制读取U盘数据

　　当设备连接到USB总线时，固件执行USB处理程序，处理程序的流程如下：

　　（1）FAT文件系统初始化。

　　本系统采用的U盘是满足FAT文件格式的，了解FAT文件系统是系统软件设计的基础。

　　FAT文件系统有固定的格式，主要分为主引导扇区、引导扇区、文件目录表和数据区等几个部分。MP3文件的内容存放在数据区，但为了得到数据区的地址，首先要得到主引导区和引导扇区的内容；文件目录表中记录着文件的信息，如文件名称、类型和簇号等，可以通过得到文件目录表来判断分区中MP3格式文件的数目和每个文件的簇号，这些都为正确地定位MP3文件打基础。

　　（2）获得MP3文件个数，在这个程序中仅仅查询根目录下MP3格式的文件个数。

　　FAT文件系统的文件目录表中包含分区中所存的文件信息，每个文件的文件目录表占用32个字节空间，该空间的第9、10、11位为文件的扩展名，可以把每个文件的扩展名和MP3格式文件的扩展名相比，进而得到总的MP3格式文件个数。

　　（3）通过文件目录表找到MP3文件所在的簇号之后就可以得到文件的物理地址，进而读取MP3文件的帧头并获得该文件的信息。MP3文件由三部分组成，首先是ID3V2,然后是数据帧，最后为ID3V1,数据帧的帧头包含MP3的采样率信息，将这些信息通过无线方式传送到接收端，进而对解码器和接口模块进行配置，这样就可以读取文件了。

　　5.2 ZigBee 网络传输的软件设计

　　ZigBee 无线通信网络由三种节点组成：协调器（ZC）、路由器（ZR）和终端设备（ZD）。协调器是网络的中心节点，在本文中即为ZigBee 主节点；路由器负责网络内信息帧的路由；终端设备连接解码器，实现音频输出。

　　网络组建过程主要包括以下三个过程：

　　（1）网络初始化过程：节点初始化后， 扫描信道检查网络是否存在；（2）主节点配置网络过程：产生协调器网络节点，开始配置网络；（3）从节点入网过程：终端设备节点申请加人协调器节点或路由节点。

　　网络协调器启动后，其它普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点若成功地接收一个子节点，或者子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇报[8].图5 是节点加入及脱离网络握手示意图。

图5 节点及脱离网络握手示意图。

　　5.3 音频解码部分的软件说明

　　（1）MP3播放器初始化处理子函数。

　　初始化程序完成对VS1003的PLL、MP3解码器和AUDIO接口初始化，设定控制器的时钟和采样率，开启MP3中断等工作。

　　（2）MP3播放子程序。

　　找到MP3文件并且配置完MP3解码器和AUDIO接口后，就可以播放MP3了。播放MP3的过程就是按照MP3解码器的请求，把接收到的MP3数据传输到解码器的输入缓冲区的过程。

　　6 结语

　　本设计借助嵌入式USB 主机和ZigBee 无线通信技术，为家用音响系统的设计提供了一种灵活、方便的无线解决方案，该系统具有良好的可扩展性和实用价值。相信随着智能家居产业的发展和ZigBee 无线通讯技术的不断完善，ZigBee 技术将越来越好地融合在智能家居系统的设计中。

　　本文作者创新点：将嵌入式USB 主机和ZigBee 技术创新性地应用于家用无线音响系统，实现了音频数据通过ZigBee 网络的无线传输，实验证明，系统设计合理，方便扩展，价格低廉，是一种有效的解决方案。