語音回示在GSM-R手持終端中的實現
摘 要:本文介紹了GSM-R手持終端上語音回示功能的實現。采用Atmega128與ISD4003之間的SPI控制接口,完成所需要的功能,給出了相應的硬件設計及軟件實現,使用了一種全新的數據通信方式,采用緩沖加中斷的方法,解決了高速MCU和低速串口之間的矛盾。
關鍵詞: 語音回示;GSM-R;ISD4003;串行通信
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(yè)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(yè)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(yè)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(fā)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(fā)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(yè),可高速執(zhí)行指令,在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)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
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(fā)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:
1、 Atmega128的SS的CS與ISD4003相連,當Atmega128對ISD4003進行操作時,選通此芯片。
2、 Atmega128的MOSI/MISO與ISD4003的MOSI/MISO相連,進行數據的輸入/輸出。
3、 Atmega128的SCLK與ISD4003的SCLK相連,提供串行數據的時鐘。
4、 INT接Atmega128的中斷線,作為語音播放完畢的中斷信號。
5、 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(fā)程序往往是一段采用輪循(Polling)方式完成收發(fā)的簡單代碼,也就是單片機通過MOSI寄存器發(fā)送數據。同時根據查詢MOSI狀態(tài)寄存器的狀態(tài)來判斷是否能發(fā)送下一個數據。在此過程中,單片機處于死等的狀態(tài),不能進行任何其它任務的執(zhí)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(fā)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(fā)功能。
圖 2 數據發(fā)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(fā)送緩沖器加中斷的方法,編寫高效可靠的SPI收發(fā)程序。
基本思路如下:
1、發(fā)送數據時,如果MOSI數據寄存器為空,則直接將需要發(fā)送的數據填入MOSI數據寄存器,由單片機自動完成數據的發(fā)送。
2、發(fā)送數據時,如果MOSI數據寄存器不為空,也就是說有待發(fā)的數據,此時將需要發(fā)送的數據填入發(fā)送數據緩沖區(qū)(構建在Atmega128的RAM中)。單片機將數據置入發(fā)送緩沖區(qū)中,就算已經完成了數據的發(fā)送,可以執(zhí)行別的指令,這樣,充分發(fā)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(fā)送緩沖區(qū)數據的處理。每次MOSI數據寄存器數據發(fā)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(fā)送完成,將待發(fā)的發(fā)送緩沖區(qū)數據置入MOSI數據寄存器,進行數據的自動發(fā)送。
以下為SPI數據發(fā)送程序和SPI中斷處理程序,流程分別如圖2、圖3所示。
圖3 中斷處理程序
void SPISend(unsigned char SPIDATA)
{
while (SPI_Rx_Count == SPI_BUFFER_SIZE)//發(fā)送緩沖區(qū)滿,清空
{ SPI_Rx_Count=0;
SPI_Rd_Count=0; }
_CLI();
if (SPI_Rx_Count||(SPI_OK==0)) file://發(fā)送緩沖區(qū)有待發(fā)數據或SPI正在發(fā)送數據時
{SPI_TX_BUFF[SPI_Wr_Count] = SPIDATA; file://將數據放入發(fā)送緩沖區(qū)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(fā)送緩沖區(qū)中空且SPI口空閑,放入SPDR發(fā)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(fā)送緩沖區(qū)中有待發(fā)的數據
{
SPI_Rx_Count;
SPDR = SPI_TX_BUFF[SPI_Rd_Count]; file://發(fā)送字節(jié)數據,并調整指針
if (++SPI_Rd_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Rd_Count = 0;
SPI_OK = 0; // SPI 發(fā)送中
}
}
采用緩沖加中斷的SPI發(fā)送方法,能夠高效地完成數據的收發(fā),提高MCU的效率,具有以下優(yōu)點:
l、采用兩個8字節(jié)的接收和發(fā)送緩沖器來提高MCU的效率,如當程序發(fā)送數據時,如果SPI口不空閑,就將數據放入發(fā)送緩沖器中,MCU不必等待,可以繼續(xù)執(zhí)行其它工作。而SPI的硬件發(fā)送完一個數據后,產生中斷,由中斷服務程序負責將發(fā)送緩沖器中的數據依次送出。
2、數據緩沖器結構是一個線性的循環(huán)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。
3、由于在數據發(fā)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(fā)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(fā)送方法,使用兩個數據緩沖器,分別構成循環(huán)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
1、 Atmegal128 DATA SHEET
2、 ISD4003 Series DATA SHEET
3、 基于GSM-R編組站綜合無線通信解決方案. 鐵道科學研究院
評論