雙網(wǎng)傳真機的編譯碼電路設(shè)計與實現(xiàn)[圖]
摘要:對雙網(wǎng)數(shù)字傳真機硬件系統(tǒng)中的編碼和譯碼電路進行設(shè)計,并采用FPGA芯片進行系統(tǒng)實現(xiàn)和驗證。其中的編譯碼電路分別采用兩級編碼和快速譯碼的思路,利用硬件描述語言設(shè)計和仿真,簡化了邏輯電路的實現(xiàn)。驗證測試表明,該電路增強了系統(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。
0 引言
傳真通信規(guī)程是將要掃描的電平信號值進行A/D轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過圖像二值化處理,表示成連續(xù)交替黑白點的數(shù)據(jù)序列(I/O序列),再對該數(shù)據(jù)序列進行編碼后,調(diào)制發(fā)送;接收端對收到的編碼數(shù)據(jù)信號解調(diào)后進行譯碼,最后由熱敏頭打印輸出。
在傳真通信中,對傳真圖像數(shù)據(jù)進行編碼和譯碼是傳真通信的關(guān)鍵技術(shù)。改進的Huffman碼(MHC)是ITU—T.4向各國推薦的一維標準碼,主要應(yīng)用于三類傳真機上。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)計思路劃分軟硬件。其中,傳真協(xié)議采用軟件實現(xiàn),傳真編譯碼和外圍設(shè)備控制器采用硬件實現(xiàn),以降低設(shè)計復(fù)雜度,提高傳真效率。
1 傳真機硬件系統(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、步進電機驅(qū)動電路模塊及時鐘電路模塊。并以NiosⅡ軟核處理器、CIS掃描器件、步進電機、TPH打印器件為硬件平臺,通過FPGA實現(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,時鐘電路用來產(chǎn)生掃描、打印及步進電機所需的時序信號;由時鐘電路產(chǎn)生的CIS時鐘周期為2.6μs,打印時鐘周期為4.96μs,步進電機時鐘周期為10ms。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,通過地址選通信號,完成各個模塊與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CIS掃描器件、TPH打印器件和步進電機發(fā)出相應(yīng)的控制時序信號完成掃描、打印和步進電機的驅(qū)動等功能。該部分采用硬件實現(xiàn)可以產(chǎn)生超過定時中斷周期的更小周期的時序信號和時序要求精確的驅(qū)動信號,同時可以通過配置控制寄存器,對掃描和打印的功能進行選擇,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描述。
2.1 CIS掃描及A/D轉(zhuǎn)換
設(shè)計采用的CIS器件具有最高1.7MHz的掃描時鐘,且有效掃描寬度為216mm(A4紙的寬度),每行有1728個掃描點。FPGA片內(nèi)的數(shù)字邏輯產(chǎn)生驅(qū)動信號CIS_si和CIS_clk,并將模擬信號接入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端口,由FPGA片內(nèi)數(shù)字邏輯實時對A/D轉(zhuǎn)換器的輸出進行采集。圖2給出了CIS接口時序。其中,CIS_si為行啟動信號,每行有1728個掃描點,每隔10ms啟動一次CIS_si。由于掃描最快能達到1.8ms/line,而打印最快只能達到10ms/line,所以掃描完成后且預(yù)留出步進電機工作的時間,這樣就能滿足該系統(tǒng)的要求。CIS_clk為2.6μs的掃描時鐘,占空比為0.254。ADC_clk為AD采樣時鐘,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轉(zhuǎn)化為電信號,將CIS掃描器件獲得的模擬電信號通過A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為8b的數(shù)字信號在ADC_clk的下降沿送入掃描數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
2.2 步進電機控制
在傳真機硬件系統(tǒng)中,步進電機的主要作用是根據(jù)當前工作狀態(tài),驅(qū)動掃描或打印夾紙的滾軸。步進電機的時鐘周期為10ms,滿足系統(tǒng)要求。掃描時步進電機反轉(zhuǎn),打印時正轉(zhuǎn)。通過控制寄存器,可以實現(xiàn)標準和精細兩種掃描模式。
2.3 打印器件
設(shè)計所用的熱敏打印器件系統(tǒng)采用SHECHA216-UH,其接口時序如圖3所示(data表示數(shù)據(jù)在鎖存信號有效后輸出)。其中,heater_clk為打印頭時鐘,1MHz,50 %占空比;heater_latch_n為打印頭鎖存信號,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,在10ms內(nèi),這四個信號依次低有效一次。
3 編碼電路單元設(shè)計
對一個二值傳真信源來說,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’的個數(shù)稱為黑游程長度,連‘0’的個數(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1728。本項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8b數(shù)據(jù)和閾值做比較,得到‘0’或‘1’(白點或黑點)。當總線地址為01H時,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,改進的Huffman碼(MHC)是三類傳真機信源編碼的標準。MHC所做的主要改進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)黑點或自點。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,當白游程長度為131b(128+3)時,編碼表示為‘100101000’,即,白游程長度128b的形成碼‘10010’加上白游程長度為3b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,構(gòu)建四個不同的碼表單元,即黑、白游程形成碼碼元單元和黑、白游程終止碼碼元單元。同時需要存儲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。這樣存儲可以通過黑白計數(shù)值直接找到地址,碼表所存儲的信息為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,如果當前游程的計數(shù)長度小于64,則取計數(shù)長度的低6位為地址,查找對應(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,則取計數(shù)長度的高5位為地址,查找對應(yīng)碼表(形成碼表)中的17位數(shù)據(jù)。NiosⅡ處理器進行數(shù)據(jù)交換,采用32位寄存器接口。每次查找完MHC碼表后,采用二級編碼電路對一級編碼電路得到的信息再進行一次編碼,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
對于MHC碼而言,首先它是一個變長碼,發(fā)送端在編碼時把游程長度所對應(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),譯碼時從該數(shù)據(jù)序列中分離出碼字,由碼字去找出所對應(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碼元。根據(jù)碼表的特點,對白譯碼而言,第一次可直接輸入4個碼元,對于黑譯碼,第一次可輸入2個碼元,隨后每次可輸入2個碼元或1個碼元。
譯碼時,通過Avalon總線接口將編碼數(shù)據(jù)寫入一個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),由信號控制模塊控制打印緩沖區(qū)的復(fù)位、讀時鐘、讀請求和打印頭時鐘信號,打印緩沖區(qū)的大小為1×2 048 b。當寫入個數(shù)記到1728時,就會進行讀操作。如果出現(xiàn)誤碼,寫入個數(shù)超過1728時,F(xiàn)IFO清零,此時不進行讀操作,而是將誤碼的那行數(shù)據(jù)丟棄,并加入一行白點(1728個‘0’)。傳真譯碼電路如圖5所示。
在譯碼電路中,檢測到EOL后,將對譯碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交替地進行白譯碼、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8b。譯碼時,接收4b數(shù)據(jù)(白碼元),通過形成的8b地址來查找碼表并返回一個8b數(shù)據(jù)Ram_Data,并根據(jù)此數(shù)據(jù)低2位的值來進行下一步操作。當Ram_Data低2位為‘01’時,輸出數(shù)據(jù)高6位的值,此時終止碼使能有效;當Ram_Data低2位為‘11’時,輸出數(shù)據(jù)高6位的值,此時形成碼使能有效;當Ram_Data低2位為‘00’時,表示接收1b數(shù)據(jù)和Ram_Data相加形成新地址;當Ram_Data低2位為‘10’時,表示接收2b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為止。查找黑白碼表不同的是:對于白譯碼而言,由于最短碼字長度為4,所以第一次可直接查找4b碼元,隨之可查找2b或1b碼元;而對于黑譯碼而言,由于最短的碼字長度為2,所以第一次查找2b碼元,隨之可查找2b或1b碼元;輸出的6b數(shù)據(jù)為連續(xù)黑點或連續(xù)白點的個數(shù)。將譯碼后的數(shù)據(jù)存入1×2048 b的打印緩沖區(qū),當存儲數(shù)據(jù)滿一行時,輸出到打印頭打印,待清空后再進行下一行的譯碼。掃描到打印一行的時間要求是10ms,所以譯碼完成后進行等待,直到數(shù)據(jù)鎖存后再進行下一行的譯碼。譯碼狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。
5 仿真驗證與系統(tǒng)測試
采用基于碼表遍歷的驗證策略,對電路進行仿真驗證,并查看輸出波形圖,結(jié)果均與設(shè)計要求一致。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為譯出的總點數(shù);white_black_flag為黑白標志位,‘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),待輸出標識位有效后,再讀出譯碼后數(shù)據(jù),通過傳真機打印出來。綜合結(jié)果表明電路可以工作在100MHz時鐘頻率下。
將傳真標準樣張編碼數(shù)據(jù)送給譯碼模塊完成對譯碼電路的測試,打印出的圖像滿足測試標準。然后將標準樣張原稿經(jīng)過掃描編碼,送給譯碼打印,輸出打印結(jié)果與原稿比對。通過反復(fù)調(diào)試,軟硬件運行穩(wěn)定,達到系統(tǒng)功能指標。
6 結(jié)語
本文采用兩級編碼和快速譯碼的設(shè)計思路,在FPGA芯片上實現(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硬件系統(tǒng)的控制,經(jīng)過仿真驗證與測試,電路對傳真數(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)傳真機提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。