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(tǒng)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(tǒng)，為GSM-R網(wǎng)絡(luò)的各種作業(yè)提供無線通信手段和設(shè)備已迫在眉睫。

        GSM-R手持終端在編組站中有著特殊的應(yīng)用。編組站的作業(yè)以小組為單位，完成調(diào)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(jù)職務(wù)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(xiàn)方式。調(diào)車長發(fā)出的調(diào)度指令種類是有限的，因此，GSM-R手持終端可以先預(yù)存相應(yīng)指令的語音信息，然后根據(jù)收到的調(diào)度指令，播放出相應(yīng)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(shè)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(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(xiàn)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(zhì)好，芯片采用CMOS技術(shù),內(nèi)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(shù), 每個采樣值直接存儲在片內(nèi)Flash中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)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(zhì)則有所下降。

硬件電路設(shè)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(xié)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(shù)據(jù),在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，因此硬件設(shè)計相對比較簡單。如圖1所示。

        Atmega128作為SPI主設(shè)備，ISD4003作為SPI從設(shè)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(yīng)的語音信息。當ISD4003讀到語音尾端時，會產(chǎn)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(shù)據(jù)的輸入/輸出。 
3.  Atmega128的SCLK與ISD4003的SCLK相連，提供串行數(shù)據(jù)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(xiàn)

        本文使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，對其相應(yīng)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(shù)據(jù)。同時根據(jù)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(shù)據(jù)。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(wù)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(shù)據(jù)發(fā)送程序

        在使用Atmega128時，根據(jù)芯片本身的特點(片內(nèi)大容量RAM，適合采用高級語言編寫系統(tǒng)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(shù)據(jù)時，如果MOSI數(shù)據(jù)寄存器為空，則直接將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)填入MOSI數(shù)據(jù)寄存器，由單片機自動完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。
2. 發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果MOSI數(shù)據(jù)寄存器不為空，也就是說有待發(fā)的數(shù)據(jù)，此時將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)填入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(構(gòu)建在Atmega128的RAM中)。單片機將數(shù)據(jù)置入發(fā)送緩沖區(qū)中，就算已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的處理。每次MOSI數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)發(fā)送完成，都會產(chǎn)生一個中斷，因此當產(chǎn)生中斷時，表明前一個數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成，將待發(fā)的發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)置入MOSI數(shù)據(jù)寄存器，進行數(shù)據(jù)的自動發(fā)送。

        以下為SPI數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)或SPI正在發(fā)送數(shù)據(jù)時
{SPI_TX_BUFF[SPI_Wr_Count] = SPIDATA; file://將數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)排隊
if (++SPI_Wr_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Wr_Count = 0; file://調(diào)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(shù)據(jù)
{
裇PI_Rx_Count;
SPDR = SPI_TX_BUFF[SPI_Rd_Count]; file://發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，并調(diào)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(shù)據(jù)的收發(fā)，提高MCU的效率，具有以下優(yōu)點：

1. 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(shù)據(jù)時，如果SPI口不空閑，就將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后，產(chǎn)生中斷，由中斷服務(wù)程序負責將發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)依次送出。
2. 數(shù)據(jù)緩沖器結(jié)構(gòu)是一個線性的循環(huán)隊列，由讀、寫和隊列計數(shù)器3個指針控制，用于判斷隊列是否空、溢出，以及當前數(shù)據(jù)在隊列中的位置。
3. 由于在數(shù)據(jù)發(fā)送程序和中斷服務(wù)程序中都要對數(shù)據(jù)緩沖器的讀、寫和隊列計數(shù)器3個指針進行判斷和操作，為了防止沖突，在數(shù)據(jù)發(fā)送程序中對3個指針操作時臨時將中斷關(guān)閉，提高了程序的可靠性。

結(jié)語

        采用緩沖加中斷的SPI發(fā)送方法，使用兩個數(shù)據(jù)緩沖器，分別構(gòu)成循環(huán)隊列。這種程序設(shè)計思路，不但程序的結(jié)構(gòu)性完整，同時也解決了高速MCU和低速串口之間的矛盾，實現(xiàn)程序中任務(wù)的并行運行，提高了MCU的運行效率，同時，這種程序設(shè)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(xué)研究院