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(guó)鐵路無(wú)線通信平臺(tái),，因此,，以GSM-R為平臺(tái)建立綜合無(wú)線通信系統(tǒng)，為GSM-R網(wǎng)絡(luò)的各種作業(yè)提供無(wú)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(chē),、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(yǔ)音回示功能的實(shí)現(xiàn)方式。調(diào)車(chē)長(zhǎng)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(yǔ)音信息,，然后根據(jù)收到的調(diào)度指令，播放出相應(yīng)的語(yǔ)音,。這個(gè)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(diǎn),。

硬件電路設(shè)計(jì)

器件簡(jiǎn)述

        本文采用Atmega128與ISD4003之間的SPI控制接口，完成所需要的語(yǔ)音回示功能,。

        Atmega128是AVR單片機(jī)的一個(gè)型號(hào),，其廢除了機(jī)器周期，采用精簡(jiǎn)指令集,，以字作為指令長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，可高速執(zhí)行指令,，在軟/硬件開(kāi)銷,、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,，是高性價(jià)比的單片機(jī)。

ISD4003系列語(yǔ)音芯片的工作電壓為3V,單片錄放時(shí)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(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陣列。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù), 每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash中,因此能夠非常真實(shí),、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音,、音樂(lè)、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(shí)間越長(zhǎng),而音質(zhì)則有所下降,。

硬件電路設(shè)計(jì)

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(guò)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(dòng)作,因此對(duì)ISD4003而言,在時(shí)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(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)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(guò)/SS片選ISD4003,MOSI控制線向ISD4003發(fā)送控制信息,，播放相應(yīng)的語(yǔ)音信息。當(dāng)ISD4003讀到語(yǔ)音尾端時(shí),，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,，Atmega128接收此中斷，播放下一段語(yǔ)音,。

        具體引腳連接如下： 

1.  Atmega128的SS的CS與ISD4003相連,，當(dāng)Atmega128對(duì)ISD4003進(jìn)行操作時(shí)，選通此芯片,。 
2.  Atmega128的MOSI/MISO與ISD4003的MOSI/MISO相連,，進(jìn)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(shí)鐘,。
4. INT接Atmega128的中斷線，作為語(yǔ)音播放完畢的中斷信號(hào),。
5. ISD4003的AUD_OUT引腳接功放或者喇叭,，播放選中的語(yǔ)音信息。

軟件實(shí)現(xiàn)

        本文使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003,，對(duì)其相應(yīng)的地址進(jìn)行讀操作,，完成選定語(yǔ)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(jiǎn)單代碼,，也就是單片機(jī)通過(guò)MOSI寄存器發(fā)送數(shù)據(jù),。同時(shí)根據(jù)查詢MOSI狀態(tài)寄存器的狀態(tài)來(lái)判斷是否能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)。在此過(guò)程中,，單片機(jī)處于死等的狀態(tài),，不能進(jìn)行任何其它任務(wù)的執(zhí)行。對(duì)于高速的AVR來(lái)講,，采用這種方式大大降低了MCU的效率,，無(wú)法發(fā)揮其高速、高效的特點(diǎn),。同時(shí),，由于Atmga128在完成語(yǔ)音回示的同時(shí)，還需要完成語(yǔ)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(shí),，根據(jù)芯片本身的特點(diǎn)(片內(nèi)大容量RAM,，適合采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)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(xiě)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(shí)，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(jī)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。
2. 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，如果MOSI數(shù)據(jù)寄存器不為空,，也就是說(shuō)有待發(fā)的數(shù)據(jù)，此時(shí)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(jī)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(yùn)行的特點(diǎn)。本文在中斷處理程序中完成對(duì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，因此當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí),，表明前一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(shí)
{SPI_TX_BUFF[SPI_Wr_Count] = SPIDATA; file://將數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖區(qū)排隊(duì)
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M(jìn)CU的效率,，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 采用兩個(gè)8字節(jié)的接收和發(fā)送緩沖器來(lái)提高M(jìn)CU的效率，如當(dāng)程序發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，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(gè)數(shù)據(jù)后,，產(chǎn)生中斷，由中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)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(gè)線性的循環(huán)隊(duì)列,，由讀、寫(xiě)和隊(duì)列計(jì)數(shù)器3個(gè)指針控制,，用于判斷隊(duì)列是否空,、溢出，以及當(dāng)前數(shù)據(jù)在隊(duì)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(duì)數(shù)據(jù)緩沖器的讀,、寫(xiě)和隊(duì)列計(jì)數(shù)器3個(gè)指針進(jìn)行判斷和操作，為了防止沖突,，在數(shù)據(jù)發(fā)送程序中對(duì)3個(gè)指針操作時(shí)臨時(shí)將中斷關(guān)閉,，提高了程序的可靠性。

結(jié)語(yǔ)

        采用緩沖加中斷的SPI發(fā)送方法,，使用兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器,，分別構(gòu)成循環(huán)隊(duì)列。這種程序設(shè)計(jì)思路,，不但程序的結(jié)構(gòu)性完整,，同時(shí)也解決了高速M(fèi)CU和低速串口之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)程序中任務(wù)的并行運(yùn)行,，提高了MCU的運(yùn)行效率,，同時(shí)，這種程序設(shè)計(jì)的思路對(duì)編寫(xiě)UART,、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鑒,。

參考文獻(xiàn)

1.  Atmegal128 DATA SHEET 
2.  ISD4003 Series DATA SHEET
3. 基于GSM-R編組站綜合無(wú)線通信解決方案.　鐵道科學(xué)研究院