1 引言
近几年来，随着嵌入式系统技术、网络通讯技术以及家电产业的迅猛发展，信息技术正逐渐渗透到人们的生活当中，智能家居设计也渐渐进入视野。然而，现阶段的智能家居设计，多采用有线设计，存在着系统结构复杂、不易改动等缺点。
本文设计了一种基于嵌入式USB 主机的家用无线音响系统，可以实现在不连接PC 机的情况下直接读取U盘或MP3 中的音频数据，并通过ZigBee 无线网络传输给家庭内部各个位置上的分节点，实现家庭音响的无线播放mp3 的功能，将人们从繁杂的布线中解放出来。
2 系统结构
系统主要由嵌入式USB 主机和ZigBee 分节点播放器组成。而USB 主机又是系统设计的关键，主要由USB接口、MCU 控制器、ZigBee 主节点和电源模块等组成，系统结构如图1 所示。
系统处理流程为：本地端控制器MSP430 通过CH375 按照相应的USB 协议，读取U 盘或MP3 中的音频文件，并将其传输给ZigBee 主节点。ZigBee主节点利用ZigBee 网络将音频信号发送给位于不同位置的ZigBee 分节点。分节点接收到信号后，经过处理，将数字信号传送给音频解码芯片，经解码后实现音频输出。
图1 系统结构。
3 系统硬件设计
3.1 USB 接口部分
3.1.1 CH375 介绍
CH375 是一个USB 总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。
CH375的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，通常情况下，外部单片机不需要编写固件程序，就可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备（包括USB硬盘/USB闪存盘/U盘）。
3.1.2 U盘接口电路设计
由于CH375 和单片机采用并行方式通信传输速度快，编程简单，所以本设计采用并行连接方式。
图2 CH375 并行接口电路。
在CH375 芯片的复位期间，TXD 引脚用于选择通讯接口。如果CH375 在复位期间检测到TXD 引脚为低电平则启用并行接口。硬件连接方式如下：CH375的8 位双向数据总线D7~D0、中断输出引脚INT#、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#以及地址输入引脚A0 分别接MSP430 的P3 口、P1.0、P4.4、P4.5、 P4.6 脚，由于在本系统中CPU 只有一片CH375 扩展，所以片选输入引脚CS#接地选通，接口电路如图2 所示。
3.2 主控制器与ZigBee 无线网络部分
本系统采用MSP430F1611 构成控制模块，采用CC2430 为核心的无线收发模块，核心芯片之间采用SPI 方式通讯，MSP430F1611 采用主模式，CC2430采用从模式。
MSP430 系列单片机是美国TI 公司推出的超低功耗16 位混合信号处理器，具有精简指令集结构（RISC）以及丰富的寻址方式；拥有高性能模拟技术及丰富的片上外围模块；大量的寄存器以及片内数据存储器可参加多种运算；在8MHz 晶振工作时，指令速度可达8MIPS.这些特点即保证了可编制出高效率的源程序，又为系统的单片解决方案提供了极大的方便[3].
CC2430 的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kbps,可以实现多点对多点的快速组网。更重要的是，CC2430 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。
MSP430 在低功耗节能方面表现突出，ZigBee 的特色之一也是低功耗，选用这两种芯片，可以保证二者在功耗方面的一致性，有利于系统应用，同时也能保证工作的稳定性。
在电路设计中，利用MSP430 的P3 口接收CH375 读取的U 盘数据，并通过DMA 方式将数据传送给USART1,后者将数字音频信号以SPI 方式传送给ZigBee 主节点。
3.3 音频解码部分
在接收端，ZigBee分节点接收到数字信号后，以SPI方式将数据串行传输给解码芯片VS1003,此时CC2420为主模式，VS1003为从模式。
VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP,5K的指令RAM,0.5K的数据RAM,串行的控制和数据输入接口， 4个通用IO口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器。
VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，比特流被解码后通过一个数字控制器到达一个18位过采样多位&epSILon;-ΔDAC.通过串行总线控制解码器。
除了基本的解码，在用户RAM中它还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理。
VS1003与单片机连接的引脚主要有7个，分别为SO、SI、SCLK、/XCS、/XRESET、DREQ、/XDCS.
只有保证它们与单片机正确可靠的连接，才能对VS1003 进行有效的操作与控制[4] .CC2430 与VS1003的连接关系如图3所示。
图3 CC2430 与音频解码芯片连接电路图。
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。
