核心器件: ISD4003
GSM-R手持終端功能概述
鐵道部已確定以GSM-R系統作為中國鐵路無線通信平臺，因此，以GSM-R為平臺建立綜合無線通信系統，為GSM-R網絡的各種作業提供無線通信手段和設備已迫在眉睫。
GSM-R手持終端在編組站中有著特殊的應用。編組站的作業以小組為單位，完成調車、編組工作。小組的每位成員均配備GSM-R專業手持終端，并根據職務要求的不同，具有各自的功能。本文主要介紹語音回示功能的實現方式。調車長發出的調度指令種類是有限的，因此，GSM-R手持終端可以先預存相應指令的語音信息，然后根據收到的調度指令，播放出相應的語音。這個功能是編組站手持終端必備的功能，本文采用Atmega128和ISD4003完成此功能，并采用一種全新的方法高效完成Atmega128與ISD4003之間的通信與控制，完全發揮了Atmega128高速的特點。
硬件電路設計
器件簡述
本文采用Atmega128與ISD4003之間的SPI控制接口，完成所需要的語音回示功能。
Atmega128是AVR單片機的一個型號，其廢除了機器周期，采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，可高速執行指令，在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。
ISD4003系列語音芯片的工作電壓為3V,單片錄放時間為4～8分鐘,音質好，芯片采用CMOS技術,內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存儲陣列。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術, 每個采樣值直接存儲在片內Flash中,因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和"金屬聲"。采樣頻率可為 4.0、5.3、6.4或8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質則有所下降。
硬件電路設計
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圖 1 硬件電路圖 |
ISD4003的所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。SPI 協議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作,因此對ISD4003而言,在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數據,在下降沿將數據送至MISO引腳。使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，因此硬件設計相對比較簡單。如圖1所示。
Atmega128作為SPI主設備，ISD4003作為SPI從設備。Atmega128通過/SS片選ISD4003,MOSI控制線向ISD4003發送控制信息，播放相應的語音信息。當ISD4003讀到語音尾端時，會產生一個中斷，Atmega128接收此中斷，播放下一段語音。
具體引腳連接如下：
- Atmega128的SS的CS與ISD4003相連，當Atmega128對ISD4003進行操作時，選通此芯片。
- Atmega128的MOSI/MISO與ISD4003的MOSI/MISO相連，進行數據的輸入/輸出。
- Atmega128的SCLK與ISD4003的SCLK相連，提供串行數據的時鐘。
- INT接Atmega128的中斷線，作為語音播放完畢的中斷信號。
- ISD4003的AUD_OUT引腳接功放或者喇叭，播放選中的語音信息。
軟件實現
本文使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，對其相應的地址進行讀操作，完成選定語音的播放。 SPI收發程序往往是一段采用輪循(Polling)方式完成收發的簡單代碼，也就是單片機通過MOSI寄存器發送數據。同時根據查詢MOSI狀態寄存器的狀態來判斷是否能發送下一個數據。在此過程中，單片機處于死等的狀態，不能進行任何其它任務的執行。對于高速的AVR來講，采用這種方式大大降低了MCU的效率，無法發揮其高速、高效的特點。同時，由于Atmga128在完成語音回示的同時，還需要完成語音通話、故障記錄等功能，因此需要MCU能更高效地完成SPI收發功能。
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圖 2 數據發送程序 |
在使用Atmega128時，根據芯片本身的特點(片內大容量RAM，適合采用高級語言編寫系統程序)，使用了一種新的方法，采用接收和發送緩沖器加中斷的方法，編寫高效可靠的SPI收發程序。
基本思路如下：
- 發送數據時，如果MOSI數據寄存器為空，則直接將需要發送的數據填入MOSI數據寄存器，由單片機自動完成數據的發送。
- 發送數據時，如果MOSI數據寄存器不為空，也就是說有待發的數據，此時將需要發送的數據填入發送數據緩沖區(構建在Atmega128的RAM中)。單片機將數據置入發送緩沖區中，就算已經完成了數據的發送，可以執行別的指令，這樣，充分發揮了其并行高速運行的特點。本文在中斷處理程序中完成對發送緩沖區數據的處理。每次MOSI數據寄存器數據發送完成，都會產生一個中斷，因此當產生中斷時，表明前一個數據已經發送完成，將待發的發送緩沖區數據置入MOSI數據寄存器，進行數據的自動發送。
以下為SPI數據發送程序和SPI中斷處理程序，流程分別如圖2、圖3所示。
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圖3 中斷處理程序 |
void SPISend(unsigned char SPIDATA)
{
while (SPI_Rx_Count == SPI_BUFFER_SIZE)//發送緩沖區滿，清空
{ SPI_Rx_Count=0;
SPI_Rd_Count=0; }
_CLI();
if (SPI_Rx_Count||(SPI_OK==0)) file://發送緩沖區有待發數據或SPI正在發送數據時
{SPI_TX_BUFF[SPI_Wr_Count] = SPIDATA; file://將數據放入發送緩沖區排隊
if (++SPI_Wr_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Wr_Count = 0; file://調整指針
++SPI_Rx_Count; }
else
{ SPDR =SPIDATA; file://發送緩沖區中空且SPI口空閑，放入SPDR發送
SPI_OK = 0; }
_SEI(); }
#pragma vector=SPI_STC_vect // SPI中斷
__interrupt void SPI_STC_vect_interrupt()
{
SPI_OK = 1; // SPI 空閑
if (SPI_Rx_Count) file://如果發送緩沖區中有待發的數據
{
裇PI_Rx_Count;
SPDR = SPI_TX_BUFF[SPI_Rd_Count]; file://發送字節數據，并調整指針
if (++SPI_Rd_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Rd_Count = 0;
SPI_OK = 0; // SPI 發送中
}
}
采用緩沖加中斷的SPI發送方法，能夠高效地完成數據的收發，提高MCU的效率，具有以下優點：
- 采用兩個8字節的接收和發送緩沖器來提高MCU的效率，如當程序發送數據時，如果SPI口不空閑，就將數據放入發送緩沖器中，MCU不必等待，可以繼續執行其它工作。而SPI的硬件發送完一個數據后，產生中斷，由中斷服務程序負責將發送緩沖器中的數據依次送出。
- 數據緩沖器結構是一個線性的循環隊列，由讀、寫和隊列計數器3個指針控制，用于判斷隊列是否空、溢出，以及當前數據在隊列中的位置。
- 由于在數據發送程序和中斷服務程序中都要對數據緩沖器的讀、寫和隊列計數器3個指針進行判斷和操作，為了防止沖突，在數據發送程序中對3個指針操作時臨時將中斷關閉，提高了程序的可靠性。
結語
采用緩沖加中斷的SPI發送方法，使用兩個數據緩沖器，分別構成循環隊列。這種程序設計思路，不但程序的結構性完整，同時也解決了高速MCU和低速串口之間的矛盾，實現程序中任務的并行運行，提高了MCU的運行效率，同時，這種程序設計的思路對編寫UART、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鑒。
參考文獻
- Atmegal128 DATA SHEET
- ISD4003 Series DATA SHEET
-
基于GSM-R編組站綜合無線通信解決方案. 鐵道科學研究院