雙網(wǎng)傳真機(jī)的編譯碼電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：對(duì)雙網(wǎng)數(shù)字傳真機(jī)硬件系統(tǒng)中的編碼和譯碼電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用FPGA芯片進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。其中的編譯碼電路分別采用兩級(jí)編碼和快速譯碼的思路，利用硬件描述語言設(shè)計(jì)和仿真，簡化了邏輯電路的實(shí)現(xiàn)。驗(yàn)證測試表明，該電路增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了編譯碼效率，縮短了開發(fā)周期。
關(guān)鍵詞：編譯碼電路；FPGA；碼表；雙網(wǎng)傳真機(jī)

0 引言
    傳真通信規(guī)程是將要掃描的電平信號(hào)值進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過圖像二值化處理，表示成連續(xù)交替黑白點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列(I／O序列)，再對(duì)該數(shù)據(jù)序列進(jìn)行編碼后，調(diào)制發(fā)送；接收端對(duì)收到的編碼數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)后進(jìn)行譯碼，最后由熱敏頭打印輸出。
    在傳真通信中，對(duì)傳真圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和譯碼是傳真通信的關(guān)鍵技術(shù)。改進(jìn)的Huffman碼(MHC)是ITU—T．4向各國推薦的一維標(biāo)準(zhǔn)碼，主要應(yīng)用于三類傳真機(jī)上。MHC碼是一種常用的變長碼，其信源的消息與碼字之間的關(guān)系是一對(duì)一的，是信息保持型的壓縮方法。雙網(wǎng)傳真系統(tǒng)完成與Internet和PSTN網(wǎng)絡(luò)的傳真通信，采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路劃分軟硬件。其中，傳真協(xié)議采用軟件實(shí)現(xiàn)，傳真編譯碼和外圍設(shè)備控制器采用硬件實(shí)現(xiàn)，以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高傳真效率。

1 傳真機(jī)硬件系統(tǒng)模型
    硬件電路模塊應(yīng)包括：CIS掃描電路模塊(A／D轉(zhuǎn)換)、編碼電路模塊(圖像二值化處理)、譯碼電路模塊、打印電路模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊及時(shí)鐘電路模塊。并以NiosⅡ軟核處理器、CIS掃描器件、步進(jìn)電機(jī)、TPH打印器件為硬件平臺(tái)，通過FPGA實(shí)現(xiàn)硬件電路模塊。上層軟件通過讀寫寄存器來控制外圍設(shè)備和編譯碼電路，完成編碼數(shù)據(jù)的讀取和譯碼數(shù)據(jù)的寫入。圖1給出了硬件系統(tǒng)功能模塊劃分邏輯圖。

    其中，時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生掃描、打印及步進(jìn)電機(jī)所需的時(shí)序信號(hào)；由時(shí)鐘電路產(chǎn)生的CIS時(shí)鐘周期為2．6μs，打印時(shí)鐘周期為4．96μs，步進(jìn)電機(jī)時(shí)鐘周期為10 ms。數(shù)據(jù)地址讀寫總線接口與NiosⅡ處理器直接交互各種控制命令及讀寫數(shù)據(jù)，產(chǎn)生外圍設(shè)備的工作使能信號(hào)，通過地址選通信號(hào)，完成各個(gè)模塊與NiosⅡ處理器之間數(shù)據(jù)的交互。

2 外圍設(shè)備控制單元
    外圍設(shè)備的控制主要是通過對(duì)CIS掃描器件、TPH打印器件和步進(jìn)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制時(shí)序信號(hào)完成掃描、打印和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等功能。該部分采用硬件實(shí)現(xiàn)可以產(chǎn)生超過定時(shí)中斷周期的更小周期的時(shí)序信號(hào)和時(shí)序要求精確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)可以通過配置控制寄存器，對(duì)掃描和打印的功能進(jìn)行選擇，上層軟件通過狀態(tài)寄存器來判斷電路的工作狀態(tài)。表1和表2給出了寄存器的詳細(xì)描述。

2．1 CIS掃描及A／D轉(zhuǎn)換
    設(shè)計(jì)采用的CIS器件具有最高1．7 MHz的掃描時(shí)鐘，且有效掃描寬度為216 mm(A4紙的寬度)，每行有1728個(gè)掃描點(diǎn)。FPGA片內(nèi)的數(shù)字邏輯產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)CIS_si和CIS_clk，并將模擬信號(hào)接入A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端口，由FPGA片內(nèi)數(shù)字邏輯實(shí)時(shí)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行采集。圖2給出了CIS接口時(shí)序。其中，CIS_si為行啟動(dòng)信號(hào)，每行有1728個(gè)掃描點(diǎn)，每隔10ms啟動(dòng)一次CIS_si。由于掃描最快能達(dá)到1.8ms／line，而打印最快只能達(dá)到10 ms／line，所以掃描完成后且預(yù)留出步進(jìn)電機(jī)工作的時(shí)間，這樣就能滿足該系統(tǒng)的要求。CIS_clk為2．6μs的掃描時(shí)鐘，占空比為0．254。ADC_clk為AD采樣時(shí)鐘，周期與CIS_clk相同，占空比為0．046。

    A／D轉(zhuǎn)換的原理是通過CIS掃描器件把原稿的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將CIS掃描器件獲得的模擬電信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為8 b的數(shù)字信號(hào)在ADC_clk的下降沿送入掃描數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
2．2 步進(jìn)電機(jī)控制
    在傳真機(jī)硬件系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的主要作用是根據(jù)當(dāng)前工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)掃描或打印夾紙的滾軸。步進(jìn)電機(jī)的時(shí)鐘周期為10 ms，滿足系統(tǒng)要求。掃描時(shí)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，打印時(shí)正轉(zhuǎn)。通過控制寄存器，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和精細(xì)兩種掃描模式。
2．3 打印器件
    設(shè)計(jì)所用的熱敏打印器件系統(tǒng)采用SHECHA216-UH，其接口時(shí)序如圖3所示(data表示數(shù)據(jù)在鎖存信號(hào)有效后輸出)。其中，heater_clk為打印頭時(shí)鐘，1 MHz，50 ％占空比；heater_latch_n為打印頭鎖存信號(hào)，低電平有效，每隔10ms鎖存一次；heater_trobe[3：0]為打印頭加熱段選信號(hào)，在10 ms內(nèi)，這四個(gè)信號(hào)依次低有效一次。

3 編碼電路單元設(shè)計(jì)
    對(duì)一個(gè)二值傳真信源來說，一副傳真圖像是由掃描線上的像素組成的，而每一掃描線又總是由一些連續(xù)的黑像素和白像素組成，連續(xù)發(fā)生的黑像素為連‘1’，白像素為連‘0’，也稱之為黑游程和白游程。連‘1’的個(gè)數(shù)稱為黑游程長度，連‘0’的個(gè)數(shù)稱為自游程長度。黑白游程總是交替出現(xiàn)的。游程長度就等于一條掃描線上的像素總數(shù)，A4幅面一般為1 728。本項(xiàng)目使用的圖像二值化方法是固定閾值法，即將A／D轉(zhuǎn)化后的8 b數(shù)據(jù)和閾值做比較，得到‘0’或‘1’(白點(diǎn)或黑點(diǎn))。當(dāng)總線地址為01H時(shí)，讀取32位編碼寄存器。
    無失真的信源編碼方式中，使用最多的是變長碼，其中最優(yōu)的編碼是Huffman碼，改進(jìn)的Huffman碼(MHC)是三類傳真機(jī)信源編碼的標(biāo)準(zhǔn)。MHC所做的主要改進(jìn)是將碼字分為終止碼和形成碼，能夠用較短的編碼來表示較長的連續(xù)黑點(diǎn)或自點(diǎn)。0～63的游程長度用終止碼表示，64整數(shù)倍的游程長度由形成碼表示，任意游程長度大于63的碼字表示為“形成碼+終止碼”。例如，當(dāng)白游程長度為131 b(128+3)時(shí)，編碼表示為‘100101000’，即，白游程長度128 b的形成碼‘10010’加上白游程長度為3 b的終止碼‘1000’。行同步碼EOL的格式為‘0000000000 01’。WRLC為白游程長度編碼，BRLC為黑游程長度編碼。每一行的第一個(gè)游程長度編碼為白碼字，黑白游程長度碼字連續(xù)交替。收到連續(xù)的六個(gè)EOL后表示該頁結(jié)束。根據(jù)T．4的表述，一頁編碼后的傳真數(shù)據(jù)格式如表3所示。

    在構(gòu)建碼表時(shí)，構(gòu)建四個(gè)不同的碼表單元，即黑、白游程形成碼碼元單元和黑、白游程終止碼碼元單元。同時(shí)需要存儲(chǔ)黑白游程編碼碼元的長度信息。終止碼碼表的地址是按游程長度編寫的，即0～63，而形成碼的碼表地址共有27個(gè)。這樣存儲(chǔ)可以通過黑白計(jì)數(shù)值直接找到地址，碼表所存儲(chǔ)的信息為17位，表4給出了MHC碼表的輸出說明。

    例如，編碼得到的碼元信息是‘0111’，這是白游程2所代表的碼元，則碼元的有效長度為‘0100’(4位)，碼元信息為‘011100000000 0’(13位)。在碼元黑白屬性發(fā)生改變時(shí)，如果當(dāng)前游程的計(jì)數(shù)長度小于64，則取計(jì)數(shù)長度的低6位為地址，查找對(duì)應(yīng)碼表(終止碼表)中的17位數(shù)據(jù)；如果游程長度大于或等于64，則取計(jì)數(shù)長度的高5位為地址，查找對(duì)應(yīng)碼表(形成碼表)中的17位數(shù)據(jù)。NiosⅡ處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用32位寄存器接口。每次查找完MHC碼表后，采用二級(jí)編碼電路對(duì)一級(jí)編碼電路得到的信息再進(jìn)行一次編碼，將17位編碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成32位編碼數(shù)據(jù)。圖4給出了編碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

4 譯碼電路單元設(shè)計(jì)
    對(duì)于MHC碼而言，首先它是一個(gè)變長碼，發(fā)送端在編碼時(shí)把游程長度所對(duì)應(yīng)的碼元數(shù)據(jù)不留間隙的存入發(fā)送緩沖區(qū)中，經(jīng)過調(diào)制載波后發(fā)送出去。接收端解調(diào)出來的數(shù)據(jù)，即編碼數(shù)據(jù)，譯碼時(shí)從該數(shù)據(jù)序列中分離出碼字，由碼字去找出所對(duì)應(yīng)的游程長度，輸出到打印緩沖區(qū)，就完成了譯碼過程。要提高譯碼速度，可以采用多步合一的方法，減少查找碼表的次數(shù)，也就是一次輸入多個(gè)碼元。根據(jù)碼表的特點(diǎn)，對(duì)白譯碼而言，第一次可直接輸入4個(gè)碼元，對(duì)于黑譯碼，第一次可輸入2個(gè)碼元，隨后每次可輸入2個(gè)碼元或1個(gè)碼元。
    譯碼時(shí)，通過Avalon總線接口將編碼數(shù)據(jù)寫入一個(gè)32×256 b的緩沖區(qū)；譯碼完成后，將數(shù)據(jù)送到打印緩沖區(qū)，由信號(hào)控制模塊控制打印緩沖區(qū)的復(fù)位、讀時(shí)鐘、讀請(qǐng)求和打印頭時(shí)鐘信號(hào)，打印緩沖區(qū)的大小為1×2 048 b。當(dāng)寫入個(gè)數(shù)記到1 728時(shí)，就會(huì)進(jìn)行讀操作。如果出現(xiàn)誤碼，寫入個(gè)數(shù)超過1 728時(shí)，F(xiàn)IFO清零，此時(shí)不進(jìn)行讀操作，而是將誤碼的那行數(shù)據(jù)丟棄，并加入一行白點(diǎn)(1 728個(gè)‘0’)。傳真譯碼電路如圖5所示。
    在譯碼電路中，檢測到EOL后，將對(duì)譯碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交替地進(jìn)行白譯碼、黑譯碼、白譯碼操作。其中譯碼碼表的地址和數(shù)據(jù)寬度均為8 b。譯碼時(shí)，接收4 b數(shù)據(jù)(白碼元)，通過形成的8 b地址來查找碼表并返回一個(gè)8 b數(shù)據(jù)Ram_Data，并根據(jù)此數(shù)據(jù)低2位的值來進(jìn)行下一步操作。當(dāng)Ram_Data低2位為‘01’時(shí)，輸出數(shù)據(jù)高6位的值，此時(shí)終止碼使能有效；當(dāng)Ram_Data低2位為‘11’時(shí)，輸出數(shù)據(jù)高6位的值，此時(shí)形成碼使能有效；當(dāng)Ram_Data低2位為‘00’時(shí)，表示接收1 b數(shù)據(jù)和Ram_Data相加形成新地址；當(dāng)Ram_Data低2位為‘10’時(shí)，表示接收2 b數(shù)據(jù)和Ram_Data相加形成新地址；繼續(xù)查找碼表，重復(fù)操作，直到譯出碼元或出錯(cuò)為止。查找黑白碼表不同的是：對(duì)于白譯碼而言，由于最短碼字長度為4，所以第一次可直接查找4 b碼元，隨之可查找2 b或1 b碼元；而對(duì)于黑譯碼而言，由于最短的碼字長度為2，所以第一次查找2 b碼元，隨之可查找2 b或1 b碼元；輸出的6 b數(shù)據(jù)為連續(xù)黑點(diǎn)或連續(xù)白點(diǎn)的個(gè)數(shù)。將譯碼后的數(shù)據(jù)存入1×2 048 b的打印緩沖區(qū)，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)滿一行時(shí)，輸出到打印頭打印，待清空后再進(jìn)行下一行的譯碼。掃描到打印一行的時(shí)間要求是10 ms，所以譯碼完成后進(jìn)行等待，直到數(shù)據(jù)鎖存后再進(jìn)行下一行的譯碼。譯碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

5 仿真驗(yàn)證與系統(tǒng)測試
    采用基于碼表遍歷的驗(yàn)證策略，對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并查看輸出波形圖，結(jié)果均與設(shè)計(jì)要求一致。仿真部分波形圖如圖7所示。

    其中，fifo_data為編碼數(shù)據(jù)；dot_cont為譯出的總點(diǎn)數(shù)；white_black_flag為黑白標(biāo)志位，‘1’表示黑，‘0’表示白。
    該電路通過QuartusⅡ環(huán)境下的SOPC配置CPU核，在Altera公司的FPGA開發(fā)板上進(jìn)行下載，并在NiosⅡ開發(fā)環(huán)境中使用軟件測試該電路，通過寄存器驅(qū)動(dòng)電路工作，經(jīng)過掃描，CPU核向電路寫入編碼數(shù)據(jù)，待輸出標(biāo)識(shí)位有效后，再讀出譯碼后數(shù)據(jù)，通過傳真機(jī)打印出來。綜合結(jié)果表明電路可以工作在100 MHz時(shí)鐘頻率下。
    將傳真標(biāo)準(zhǔn)樣張編碼數(shù)據(jù)送給譯碼模塊完成對(duì)譯碼電路的測試，打印出的圖像滿足測試標(biāo)準(zhǔn)。然后將標(biāo)準(zhǔn)樣張?jiān)褰?jīng)過掃描編碼，送給譯碼打印，輸出打印結(jié)果與原稿比對(duì)。通過反復(fù)調(diào)試，軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到系統(tǒng)功能指標(biāo)。

6 結(jié)語
    本文采用兩級(jí)編碼和快速譯碼的設(shè)計(jì)思路，在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)了編譯碼電路和外設(shè)控制器。上層軟件通過寄存器接口完成對(duì)硬件系統(tǒng)的控制，經(jīng)過仿真驗(yàn)證與測試，電路對(duì)傳真數(shù)據(jù)正確編譯碼，與軟件系統(tǒng)相配合為高性能的雙網(wǎng)傳真機(jī)提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。