新型數(shù)據(jù)通信方式GSM-R手持終端的實現(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)絡的各種作業(yè)提供無線通信手段和設備已迫在眉睫。

       WT588D接收端反應速度較快，整個語音信息從觸發(fā)到播放并發(fā)送BUSY反饋信號的時間不到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，從語音編輯到下載語音工程，操作都趨向簡易模式，不僅能很好的被資深設計者使用，而且也適合入門者做實驗測試。

　　GSM-R手持終端在編組站中有著特殊的應用。編組站的作業(yè)以小組為單位，完成調車、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。調車長發(fā)出的調度指令種類是有限的，因此，GSM-R手持終端可以先預存相應指令的語音信息，然后根據(jù)收到的調度指令，播放出相應的語音。這個功能是編組站手持終端必備的功能，本文采用ATMEGA48和WT588D語音芯片完成此功能，并采用一種全新的方法高效完成ATMEGA48與WT588D語音芯片之間的通信與控制，完全發(fā)揮了ATMEGA48高速的特點。
 

　　2 器件簡述

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

　　ATMEGA48是AVR單片機的一個型號，AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。它還廢除了機器周期，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，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，可高速執(zhí)行指令。這種結構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。

　　WT588D語音芯片采用語音數(shù)據(jù)直接在SPI-Flash存儲器中存儲的技術，下載速度快，并經(jīng)過D/A轉換后輸出。因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲。功能多、音質好、應用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音芯片的特長，彌補了以往各類語音芯片應用領域狹小的缺陷。能夠完全取代ISD1700、ISD1425、ISD4000、PM50等語音芯片。

　　WT588D系列語音芯片具有如下特點：變更語音內容簡單，放音方便；高音質，聲音自然；支持2M～64M的SPI-Flash內存，在6K采樣下能達到2149S的放音；手動操作/微控制器控制兼容；放音時可用邊沿觸發(fā)或電平觸發(fā)；可以循環(huán)放音；具有自動節(jié)電控制，節(jié)電時靜態(tài)電流小于10uA；信息存儲無需后背電源；最多可加載220段語音；PWM輸出可直接推動0.5W/8Ω揚聲器；可重復擦除燒寫10萬次；放音可用單片機編程控制；單電源工作；模塊封裝（帶FLASH存儲器）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 語音芯片特性開發(fā)出來的相對應配套軟件。它很好的完成對WT588D 語音芯片各種控制模式程序的寫入，當單片機口線不夠可選用一線串口控制或SPI串口控制，更有能夠作為擴展單片機I/O口線的功能，非常適合在單片機場合下使用。軟件還能完成語音的替換、組合，音頻輸出模式的設置等，而且操作界面簡單，編輯過程方便。

　3 硬件電路設計

　　WT588D的所有操作都由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口SPI送入。SPI 協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作，因此對WT588D而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)。使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，因此硬件設計相對比較簡單。如圖1所示。

　　ATMEGA48作為SPI主設備，WT588D作為SPI從設備。ATMEGA48通過/SS片選WT588D,MOSI控制線向WT588D發(fā)送控制信息，播放相應的語音信息。當WT588D讀到語音尾端時，會產生一個中斷，ATMEGA48接收此中斷，播放下一段語音。

　　具體引腳連接如下：

　　1、ATMEGA48的SS與WT588D的CS相連，當ATMEGA48對WT588D進行操作時，選通此芯片。

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

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

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

　　5、WT588D可以設置為DAC（外接功放）輸出或者PWM（直接驅動喇叭）輸出，播放選中的語音信息。

4 軟件實現(xiàn)

　　本文使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，對其相應的地址進行讀操作，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ATMEGA48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。

　　在使用ATMEGA48時，根據(jù)芯片本身的特點（片內大容量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)（構建在ATMEGA48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，都會產生一個中斷，因此當產生中斷時，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MCU的效率，具有以下優(yōu)點：

　　l、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，產生中斷，由中斷服務程序負責將發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)依次送出。

　　2、數(shù)據(jù)緩沖器結構是一個線性的循環(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閉，提高了程序的可靠性。

　　5 結語

　　整個控制系統(tǒng)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，分別構成循環(huán)隊列。這種程序設計思路，不但程序的結構性完整，同時也解決了高速MCU和低速串口之間的矛盾，實現(xiàn) 程序中任務的并行運行，提高了MCU的運行效率，同時這種程序設計的思路對編寫UART、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鑒。