新型數(shù)據(jù)通信方式GSM-R手持終端的實(shí)現(xiàn)

1 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。

       WT588D接收端反應(yīng)速度較快，整個(gè)語(yǔ)音信息從觸發(fā)到播放并發(fā)送BUSY反饋信號(hào)的時(shí)間不到5ms，能在速度上很好的迎合整套系統(tǒng)所追求的速率。在配套軟件方面，從語(yǔ)音編輯到下載語(yǔ)音工程，操作都趨向簡(jiǎn)易模式，不僅能很好的被資深設(shè)計(jì)者使用，而且也適合入門(mén)者做實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

　　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(zhuān)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(lèi)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ATMEGA48和WT588D語(yǔ)音芯片完成此功能，并采用一種全新的方法高效完成ATMEGA48與WT588D語(yǔ)音芯片之間的通信與控制，完全發(fā)揮了ATMEGA48高速的特點(diǎn)。
 

　　2 器件簡(jiǎn)述

　　本文采用WT588D語(yǔ)音芯片與ATMEGA48之間的SPI控制接口，完成所需要的語(yǔ)音回示功能。

　　ATMEGA48是AVR單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。它還廢除了機(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。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。在軟/硬件開(kāi)銷(xiāo)、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)。

　　WT588D語(yǔ)音芯片采用語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接在SPI-Flash存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的技術(shù)，下載速度快，并經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出。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。功能多、音質(zhì)好、應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語(yǔ)音芯片的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)了以往各類(lèi)語(yǔ)音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷。能夠完全取代ISD1700、ISD1425、ISD4000、PM50等語(yǔ)音芯片。

　　WT588D系列語(yǔ)音芯片具有如下特點(diǎn)：變更語(yǔ)音內(nèi)容簡(jiǎn)單，放音方便；高音質(zhì)，聲音自然；支持2M～64M的SPI-Flash內(nèi)存，在6K采樣下能達(dá)到2149S的放音；手動(dòng)操作/微控制器控制兼容；放音時(shí)可用邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)；可以循環(huán)放音；具有自動(dòng)節(jié)電控制，節(jié)電時(shí)靜態(tài)電流小于10uA；信息存儲(chǔ)無(wú)需后背電源；最多可加載220段語(yǔ)音；PWM輸出可直接推動(dòng)0.5W/8Ω揚(yáng)聲器；可重復(fù)擦除燒寫(xiě)10萬(wàn)次；放音可用單片機(jī)編程控制；單電源工作；模塊封裝（帶FLASH存儲(chǔ)器）為16腳、28腳嵌入式形式，芯片封裝為DIP18、SSOP20和LQFP32形式。

　　WT588D VoiceChip 軟件是根據(jù)WT588D 語(yǔ)音芯片特性開(kāi)發(fā)出來(lái)的相對(duì)應(yīng)配套軟件。它很好的完成對(duì)WT588D 語(yǔ)音芯片各種控制模式程序的寫(xiě)入，當(dāng)單片機(jī)口線不夠可選用一線串口控制或SPI串口控制，更有能夠作為擴(kuò)展單片機(jī)I/O口線的功能，非常適合在單片機(jī)場(chǎng)合下使用。軟件還能完成語(yǔ)音的替換、組合，音頻輸出模式的設(shè)置等，而且操作界面簡(jiǎn)單，編輯過(guò)程方便。

　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　WT588D的所有操作都由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口SPI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)WT588D而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)。使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，因此硬件設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。如圖1所示。

　　ATMEGA48作為SPI主設(shè)備，WT588D作為SPI從設(shè)備。ATMEGA48通過(guò)/SS片選WT588D,MOSI控制線向WT588D發(fā)送控制信息，播放相應(yīng)的語(yǔ)音信息。當(dāng)WT588D讀到語(yǔ)音尾端時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，ATMEGA48接收此中斷，播放下一段語(yǔ)音。

　　具體引腳連接如下：

　　1、ATMEGA48的SS與WT588D的CS相連，當(dāng)ATMEGA48對(duì)WT588D進(jìn)行操作時(shí)，選通此芯片。

　　2、ATMEGA48的MOSI與WT588D的DATA相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　3、ATMEGA48的SCLK與WT588D的CLK相連，提供串行數(shù)據(jù)的時(shí)鐘。

　　4、ATMEGA48的中斷線與WT588D的BUSY相連，可以作為語(yǔ)音播放完畢的中斷信號(hào)。

　　5、WT588D可以設(shè)置為DAC（外接功放）輸出或者PWM（直接驅(qū)動(dòng)喇叭）輸出，播放選中的語(yǔ)音信息。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

　　本文使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，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ATMEGA48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。

　　在使用ATMEGA48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ATMEGA48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2 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

圖3 中斷處理程序

　　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)：

　　l、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。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　整個(gè)控制系統(tǒng)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。