Zigbee和PurePath Wireless技术在音响系统中的应用

摘 要 针对传统有线音响系统音箱放置不灵活、需要大量布线、工作效率低的情况，结合Zigbee技术和PurePath Wireless技术的互补优势，设计了一个5.1声道无线音响系统。该系统以CC8530音频收发器和IEEE 802.15.4射频芯片为硬件平台，采用星型拓扑结构，包含一个主机和六个从机。以Zigbee协议栈为核心软件，控制指令通过Zigbee网络以广播方式发送，音频数据通过PurePath Wireless音频链路传输，数据与指令的独立无线传输，提升了系统的效率。该方案使得无线音响系统的数据传输方案具有低成本、低功耗、高保真的特点，具有可观的市场前景。

关键词 无线音响系统；Zigbee；PurePath Wireless；低功耗；高保真

中图分类号TN914 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）93-0000-00

0引言

伴随着电子信息技术的进步和生活水平的改善，人们对视听的要求也不断提高。高品质的音响系统逐步在家庭应用中普及。但有线音响的问题在于众多音响都需要布线，房屋装修时很难充分考虑到音响线数量和位置。由于有线音响系统中从功放到音箱之间串联了音响线，系统的整体效率非常较低。近几年在新兴的无线概念的影响下，无线音响产品也开始进入消费者的视线。在众多无线音频传输技术中，目前最被看好的就是2.4G技术。该技术的工作频段在全世界都是免费授权使用的[1]。目前在2.4G技术中蓝牙是无线音频领域中应用最多、最成熟的技术。但蓝牙带宽窄，传输距离近，抗干扰能力差等方面却不尽人意[2]。本文设计的音频传输方案采用一种全新的架构，多点无线音频传输的控制命令和音频数据的发送完全独立。控制命令传输采用物联网中应用最广泛的Zigbee技术[3-4]，方便与以后的智能家居系统无缝链接，音频数据传输采用德州仪器专利音频PurePath Wireless[5] 技术，具有使用方便、成本低和高保真等技术优点。

1 Zigbee和PurePath Wireless技术

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，具有近距离、低功耗、低复杂度、低速率、低成本等特点。组网方面，Zigbee协议栈相对简单，实现相对容易、占用资源也较少。安全性方面，Zigbee提供三种安全模式，支持高级加密标准（AES-128）。诸多特点使得Zigbee技术在工业监控、传感器网络、智能家居、安全系统等领域有着很大的发展空间。

PurePath Wireless技术是德州仪器公司针对高品质无线音频传输领域推出的一个低成本 、低功耗的解决方案。该技术使用超高抗干扰音频传输协议，可通过业界一流的射频链路在无噪声和压降的情况下，传输未压缩的CD音质级无线音频。与蓝牙、WLAN等其他2.4G产品具有出色的共存性。CC8530就是一款集成该技术的芯片。该芯片包含射频收发器、音频协处理器和ARM Cotex M3主控。此外，TI提供的PC端图形化配置工具PurePath Wireless Configurator，免除了程序开发工作，极大地降低了系统的开发难度。

2 5.1声道无线音响系统工作原理分析

该5.1声道无线音响系统由一个主机和六个从机构成。主机由模拟音频数据采集部分、控制命令发送部分、音频数据发送部分构成；从机由控制命令接收部分、音频数据接收部分、音乐还原部分构成。系统总体结构图如图1所示。

系统上电后，主机自动发起Zigbee网络和音频传输网络，从机自动加入网络并与主机建立绑定关系。工作过程中，因每片模数转换器PCM4204可完成四通道采样，故主机中采用PCM4204和PCM4202从模拟输入口对六路音频数据以44.1KHz、16位的速率进行采样，将其转换成I2S数据流格式输出到音频发送模块。又因每套CC8530音频发送模块可以发送三个通道的音频数据，故5.1声道音频数据需通过两套CC8530音频发送模块发送。主机上被配置成自动运行模式下的CC8530模块实时地将5.1声道非压缩音频数据发送给六个从机。从机将接收到的音频信号解码还原成I2S格式输出到数模转换器PCM1798，随后还原的模拟信号通过一个音量控制器PGA2310进入功放部分进行功率放大，最后推动喇叭发声。无线音响系统在传输音频数据的同时，主机中Zigbee协调器时刻检测键盘状态，当发现有用户命令输入时，系统将解析命令，并向从机中的Zigbee终端节点设备广播发送动作指令。如此，从机则会根据动作指令对音量等工作参数进行设置和调整。

图1系统总体框图

3 无线音响系统硬件设计

3.1主机硬件设计和CC8530主模式参数配置

主机硬件系统包括音频模数转换模块、Zigbee协调器和两路CC8530音频发射模块。音频数模转换电路采用音频专用芯片PCM4204和PCM4202进行设计，两种芯片都支持I2S接口，能够对六路模拟信号完成44.1Khz采样速率、16位采样精度的模数转换。Zigbee协调器采用CC2530设计，天线采用塑胶棒天线。两路音频发射模块采用CC8530和射频功放CC2590加以完成，并通过PurePath Configurator软件对CC8530的工作参数进行配置。开始配置工作参数如图2所示。

图2开始配置工作参数

CC8530发射主机配置过程如下：1）在PurePath Configurator软件中新建一个工程：首先在Device Configurations栏选择Creat New，填上Configurations Name，接着Network Role选择Master，hardware platform选择custom design，Operation选择Autonomous。最后单击下面的Creat按钮完成创建；2）配置CC8530发射主机的参数：首先Audio Interface栏中Slect Device选择DSP，Audio Streaming栏选择三个不同的逻辑通道，并设置好对应的数据口和I2S通道，Stream Format选择PCM16，Volume栏用默认设置，此时注意Device Identification栏中要创建一个新的Manufacturer ID，用来过滤和区分两路发送接收设备，随后再填好Product ID和Product Name，最后Radio栏中将网络过滤方式菜单Pairing filter设置为Manufacturer ID，其它参数采用默认值即可；3）在IO Mapping栏完成功能管脚映射。由于该5.1声道无线音响系统主机中使用两套CC8530发射设备，故用同样的方法，创建另一个CC8530的发射主机配置文件，但两个文件中用来互相区别的Manufacturer ID必须不同。

3.2从机的硬件设计和CC8530从模式参数配置

从机硬件电路包括Zigbee终端节点、CC8530接收从机、音频数模转换、音量控制电路和功放电路。Zigbee终端节点采用CC2530和低成本的PCB天线设计。音频数模转换电路采用高保真、大动态范围的PCM1798芯片来实现。音量控制电路选用专用芯片PGA2310，功放电路选用TDA7294设计实现。

接收从机配置过程如下：1）在已有工程中创建从机配置文件：用PurePath Configurator软件打开一个已经完成主机配置的工程，选择Creat New来创建一个接收从机配置文件并填好配置名称；2）完成初始化配置：首先Network Role选择Slave，Application Role选择Mono output satellite，接着Hardware platform 选择Custom design，最后Operation选择Autonomous完成配置；3）设置参数：仿照配置主机的流程，对每一栏参数进行设置，首先Audio Interface栏Slect Device选择DSP，然后在Audio Streaming中Logical Channel选择该主机已选的一个通道，并注意Device Identification栏中Manufacturer ID要与该组发射主机的Manufacturer ID一致，最后Radio栏中Pairing选择Manufacturer ID即可；4）在IO Mapping栏完成管脚映射。以此类推，配置好另外两路接收从机的参数，完成后如图3所示。

仿照上述方法，打开另一个已完成主机配置的工程文件，可完成另一组音频接收设备的配置。至此，完成了所有六个音频接收通道的参数配置，通过CC Debugger下载器将文件分别下载到对应的硬件设备中。

4 软件设计

软件设计是在TI的Zigbee协议栈基础上进行的，Zigbee网络选用星型网络拓扑结构。主机中，在协议栈应用层设计整个系统的控制程序和主机系统硬件驱动程序。从机中，在Zigbee协议栈应用层中开发从机的设备驱动程序。主机与从机的程序流程如图4所示：

5 结论

本文提出了5.1声道无线音响系统领域中一种新的技术方案。该方案通过Zigbee网络实现控制数据收发，通过PurePath Wireless网络实现音频数据无线传输。系统网络具有自组织、自愈合能力。

无线音响系统在保证音频高保真传输的前提下，通过解决多声道音响系统的布线问题和音响线上的功率损耗问题，降低了系统的复杂性和成本，提升了系统的效率。主控采用的Zigbee技术也为以后能与智能家居进行无缝连接做好铺垫。

实际测试表明：该5.1声道无线音响系统自身功耗极低。系统可在普通锂电池供电下传输5.1声道非压缩CD音质音频数据。主机连续工作时间可达12小时以上，分机可达16小时以上。平坦开阔地带传输距离可达60米以上，拥挤环境中也可达到25米以上，具有穿越一堵混凝土墙的能力。

参考文献

[1]王权平，王莉.Zigbee技术及其应用[J].现代电信科技，2004，6（1）：33-37.

[2]郭世富，马树元.一种家用无线网络的构建[J].北京理工大学学报，2006，26（10）：859-862.

[3]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005：4-5.