μC／OS-II基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的無(wú)紙傳真收發(fā)系統(tǒng)

摘要：對(duì)T．30協(xié)議和T．4協(xié)議進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)出了可靠的傳真收發(fā)流程。設(shè)計(jì)的傳真數(shù)據(jù)解析樹(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。在μC／OS-II操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了無(wú)紙傳真收發(fā)。該系統(tǒng)對(duì)資源要求低，能夠在低端嵌入式硬件上運(yùn)行，支持的最高傳輸速率為14 400 bps。用戶(hù)可以將該系統(tǒng)視作一個(gè)傳真機(jī)功能模塊，嵌入到諸如可視電話(huà)之類(lèi)的設(shè)備中。以較低的成本集成傳真功能，也可以作為獨(dú)立系統(tǒng)應(yīng)用于移動(dòng)辦公場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：通信終端技術(shù)；T．30協(xié)議；T．4協(xié)議；無(wú)紙傳真；μC／OS-II

引言
    隨著Internet的高速發(fā)展，通信工具日益更新，傳真憑借其具有憑證確認(rèn)、快速、方便等特點(diǎn)，是企業(yè)不可或缺的通信工具。傳統(tǒng)硬件傳真機(jī)存在很多問(wèn)題，影響了企業(yè)使用傳真機(jī)的成本和效率。很多企業(yè)已經(jīng)放棄使用傳統(tǒng)傳真機(jī)，或是尋找替代產(chǎn)品。無(wú)紙傳真系統(tǒng)正是針對(duì)企業(yè)的這種需求應(yīng)運(yùn)而生的。其實(shí)質(zhì)是電子化收發(fā)傳真。無(wú)紙化傳真系統(tǒng)啟動(dòng)后，在無(wú)人參與條件下可自動(dòng)可靠地運(yùn)行，減少多余的環(huán)節(jié)，縮短信息的傳遞時(shí)間，使傳真盡快得到處理。同時(shí)，增強(qiáng)了傳真的保密性。電子化過(guò)程可以節(jié)省大量資源，包括人力、紙張、打印、通信費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用等，從而減少成本。目前無(wú)紙化傳真系統(tǒng)對(duì)企業(yè)的重要作用已經(jīng)逐步顯現(xiàn)，使用也越來(lái)越廣泛。

1 傳真協(xié)議介紹
    T．30協(xié)議為PSTN網(wǎng)上的傳真?zhèn)鬏攨f(xié)議與規(guī)程，是標(biāo)準(zhǔn)傳真。它對(duì)3類(lèi)傳真機(jī)在普通電話(huà)網(wǎng)上的通信流程、所采用的信號(hào)格式、控制信令以及糾錯(cuò)方式都作了詳細(xì)的描述和規(guī)定。該協(xié)議規(guī)定了8種可能的操作方式，每種操作方式均可用5個(gè)獨(dú)立而又連貫的階段來(lái)描述：呼叫建立
階段、報(bào)文傳輸前標(biāo)識(shí)和選擇所需性能的過(guò)程、報(bào)文傳輸階段、報(bào)文后處理階段和呼叫釋放階段。其中傳真報(bào)文的傳輸將按照T4協(xié)議中所描述的調(diào)制方式進(jìn)行。
    T4是ITU—T制定的傳真協(xié)議。該協(xié)議用于3類(lèi)傳真終端文件傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。它定義了黑白文件和彩色文件在普通電話(huà)交換網(wǎng)，國(guó)際租用電路以及ISDN進(jìn)行三類(lèi)傳真的各種特性，包括編碼、線掃描等定義。

2 μC／OS-lI操作系統(tǒng)介紹
    μC／OS-II是一種公開(kāi)源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC／OS-II大部分代碼是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的。CPU硬件相關(guān)部分是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。總量約200行的匯編語(yǔ)言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到其他的CPU上。用戶(hù)只要有標(biāo)準(zhǔn)的ANSI的C交叉編譯器、匯編器、連接器等軟件工具，就可以將μC／OS-II嵌入到開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中。μC／OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。最小內(nèi)核可編譯至2 KB。μC／OS-II操作系統(tǒng)已經(jīng)移植到了大部分知名的CPU上。

3 傳真數(shù)據(jù)處理的算法設(shè)計(jì)
    收到傳真數(shù)據(jù)后，往往需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，比如生成tiff文件、格式轉(zhuǎn)換、錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)等。由前文所述，T．4協(xié)議中規(guī)定了傳真數(shù)據(jù)采用前綴編碼，所以本文采用霍夫曼樹(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。
    霍夫曼算法一般用于數(shù)據(jù)壓縮，基本思想是根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)頻度，生成一種帶權(quán)路徑長(zhǎng)度最短的二叉樹(shù)。從根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的路徑即代表該葉子節(jié)點(diǎn)的編碼。本文采用了這種思想對(duì)傳真數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，比如N的編碼為0001，該編碼為前綴編碼，每個(gè)碼字之間不會(huì)出現(xiàn)混淆?；舴蚵鏄?shù)如圖1所示。

    基于霍夫曼樹(shù)的思想，將T．4協(xié)議中對(duì)傳真掃描點(diǎn)的編碼構(gòu)建成一顆帶權(quán)二叉樹(shù)，如圖2所示。
    其中每一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于某一個(gè)編碼，首先設(shè)置一個(gè)游標(biāo)，用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前位置，其初始位置為根節(jié)點(diǎn)，收到傳真數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)中的bit位移動(dòng)游標(biāo)，可能有以下3種情況：
    ①游標(biāo)到達(dá)某一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，但此葉子節(jié)點(diǎn)不是EOL，表明收到一個(gè)完整的編碼，但1行還沒(méi)結(jié)束，游標(biāo)返回到根節(jié)點(diǎn)；
    ②游標(biāo)到達(dá)EOL葉子節(jié)點(diǎn)，表明1行結(jié)束，游標(biāo)返回根節(jié)點(diǎn)；
    ③游標(biāo)下一步?jīng)]有路徑可走，表明數(shù)據(jù)出錯(cuò)，此時(shí)需要搜尋下一個(gè)EOL用于重新同步。

4 無(wú)紙傳真收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 基本模式
    按照T．30協(xié)議規(guī)定，文件傳真在公用電話(huà)交換網(wǎng)上的傳輸操作方法可能有8種組合，如表1所列。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的操作方法為4-T，即主叫站與被叫站均為自動(dòng)操作，主叫站作為傳真的發(fā)送方，被叫站作為傳真的接收方。

4．2 硬件框架
    整個(gè)傳真系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。左側(cè)虛線框內(nèi)模塊和右側(cè)的FAX模塊是從交換機(jī)的兩根電話(huà)線中分離出來(lái)的2個(gè)獨(dú)立傳真模塊。右側(cè)的FAX模塊是普通紙傳真機(jī)，為測(cè)試左側(cè)虛框內(nèi)模塊的功能而配置的。左側(cè)虛線框內(nèi)4大模塊為無(wú)紙傳真模塊。

    無(wú)紙傳真模塊中，左側(cè)的PC機(jī)為輔助設(shè)備，利用PC機(jī)上的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境IAR和代碼編輯軟件sourceinsight進(jìn)行源碼編輯與調(diào)試，將調(diào)試無(wú)誤的代碼通過(guò)JLINK下載到STM32芯片中。STM32芯片和Fax Modem都是通過(guò)USB線與PC機(jī)相連來(lái)供電。
    Fax Modem內(nèi)部包含CX68033芯片，其通過(guò)串口與STM32芯片相連，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集，使得二者可以交互信令和數(shù)據(jù)，STM32芯片主要負(fù)責(zé)任務(wù)管理和文件管理，并且通過(guò)串口控制Fax Modem。同樣為了便于測(cè)試，焊了一根線接出“USB轉(zhuǎn)串口模塊”來(lái)與電腦通信，進(jìn)而可以利用串口調(diào)試助手軟件來(lái)輔助測(cè)試。
4．3 總流程設(shè)計(jì)
    兩臺(tái)傳真機(jī)相互通信的規(guī)約稱(chēng)為協(xié)議或傳真呼叫時(shí)間序列，分為A、B、C、D、E五個(gè)階段，如圖4所示。

    (1)階段A：呼叫建立階段
    這一階段與電話(huà)呼叫建立的過(guò)程相似，不同之處在于要發(fā)送包含標(biāo)識(shí)發(fā)送／接收終端的傳真單音。
    (2)階段B：報(bào)文前處理階段
    這個(gè)處理階段主要進(jìn)行傳真能力的協(xié)商與訓(xùn)練。完成傳真機(jī)功能的鑒別、選送合適的傳輸模式、核對(duì)相位、發(fā)送線路校驗(yàn)信號(hào)以及可以接收的信號(hào)等。
過(guò)程描述：首先由被叫站發(fā)送DIS信號(hào)，DIS信號(hào)中包含了被叫站傳真機(jī)具有的各種兼容性功能信息、傳輸數(shù)碼率、掃描線密度和最小行掃描時(shí)間等。當(dāng)主叫站收到DIS信號(hào)后，了解到被叫站傳真機(jī)的功能，再根據(jù)本站傳真機(jī)的功能和操作人員事先安排的指令，發(fā)出DCS信號(hào)，DCS信號(hào)是數(shù)字接收指令，由發(fā)送方進(jìn)行發(fā)送，要求接收方是接收傳真。該指令還指定了接收傳真機(jī)的工作方式、傳輸數(shù)碼率、掃描線密度、稿件寬度以及最小行掃描時(shí)間等。被叫站接收到DCS信號(hào)后，按命令選擇合適的工作模式，這時(shí)，主叫站發(fā)出線路校驗(yàn)信號(hào)TCF。TCF信號(hào)是一個(gè)持續(xù)時(shí)間為1．5 s的0序列，它用于校驗(yàn)信道在這個(gè)數(shù)碼率下可接受的程度。當(dāng)被叫站收到這個(gè)線路校驗(yàn)信號(hào)之后認(rèn)為合格，就發(fā)送CFR信號(hào)，CFR信號(hào)標(biāo)志全部報(bào)文前處理過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。當(dāng)主叫站收到CFR信號(hào)，就可以發(fā)送稿件。
    (3)階段C：報(bào)文傳輸過(guò)程
    按照T．4規(guī)程傳輸傳真報(bào)文，并進(jìn)行報(bào)文傳輸控制，包括報(bào)文同步、誤碼檢測(cè)和糾錯(cuò)、線路監(jiān)測(cè)等。
    (4)階段D：報(bào)文后處理階段
    這個(gè)處理階段主要提供報(bào)文的證實(shí)、報(bào)文結(jié)束、多頁(yè)續(xù)發(fā)等控制操作。當(dāng)發(fā)送方發(fā)完稿件后，將出現(xiàn)若干不同的情況，如是否還要繼續(xù)向接收方發(fā)送稿件，如果需要發(fā)送，是繼續(xù)發(fā)送還是重新進(jìn)行報(bào)文前處理后再發(fā)送，是否暫時(shí)中斷進(jìn)行通話(huà)后再發(fā)送等。為了滿(mǎn)足上述要求，發(fā)送方共設(shè)置6種主要的傳真控制字段分別對(duì)應(yīng)6種指令。當(dāng)接收方收到這6種指令中的一種后，就會(huì)發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，這些指令和響應(yīng)只有傳真控制字段，而無(wú)傳真信息字段。
    (5)階段E：呼叫釋放階段
    呼叫釋放發(fā)生在某一特定的條件下，當(dāng)最后一頁(yè)稿件發(fā)送完畢后，進(jìn)行最后一個(gè)信息處理，發(fā)送EOP信號(hào)，在EOP信號(hào)之后，過(guò)程轉(zhuǎn)入階段E，呼叫釋放，切斷接續(xù)，電路由傳真狀態(tài)返回到電話(huà)狀態(tài)。
    圖5是單頁(yè)傳真正常傳輸?shù)囊粋€(gè)實(shí)例，便于傳真流程的理解。

4．4 功能模塊設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)自底向上包括如下3個(gè)功能模塊，如圖6所示。底層串口模塊、中層數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊和上層傳真模塊。各個(gè)模塊由μC／OS-II負(fù)責(zé)管理，其中底層串口模塊包含了所有基于串口的基本操作，包括讀串口和寫(xiě)串口等；中層數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊做了大量的細(xì)節(jié)性數(shù)據(jù)處理工作；上層傳真模塊封裝了發(fā)送傳真和接收傳真的基本功能。

4．4．1 底層串口模塊
    底層串口模塊的代表性函數(shù)包括如下3個(gè)。
    ①void RxInterrupt_Handler()；
    功能說(shuō)明：fax modem每次接收到數(shù)據(jù)后都會(huì)發(fā)生中斷，跳入此函數(shù)。通過(guò)mdm_append_data函數(shù)將串口收到的新數(shù)據(jù)添加到接收緩沖區(qū)。
    ②void USART1_SendByre(INT16U byte)；
    功能說(shuō)明：直接向串口中發(fā)送一個(gè)字節(jié)，并等待完成。
    ③void USART1 SendData(INT8U*data，INT16S len)；
    功能說(shuō)明：直接向串口寫(xiě)數(shù)據(jù)并等待完成，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不限。它被fax_send_cmd函數(shù)和fax_send_frame函數(shù)多次調(diào)用。
4．4．2 中層數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊
    本模塊采用隊(duì)列來(lái)管理數(shù)據(jù)，如圖7所示。底層串口模塊收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存入隊(duì)尾緩存，上層傳真模塊從隊(duì)頭取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種方式使得程序不必關(guān)心串口接收數(shù)據(jù)的方式，一定程度上減小了程序的耦合性。

    隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
   
   
     本模塊提供了以下接口函數(shù)，供上層傳真機(jī)模塊調(diào)用。
    ①void mdm_init_buffer()；
    功能說(shuō)明：本函數(shù)用于初始化緩沖區(qū)，一般在程序啟動(dòng)時(shí)調(diào)用。
    ②char*mdm_get_line(int timeout)；
    功能說(shuō)明：在timeout規(guī)定的時(shí)間里面，等待并讀取一行數(shù)據(jù)(以／r／n結(jié)尾)，如果超時(shí)則返回NULL。
    ③int mdm_get_byte(char*byte，int timeout)；
    功能說(shuō)明：在timeout規(guī)定的時(shí)間里，等待并讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則返回1，如果超時(shí)則返回0。
    ④int mdm_get_byte_count()；
    功能說(shuō)明：獲取當(dāng)前緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)。
    ⑤void mdm_clear_buffer()；
    功能說(shuō)明：清空緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
    ⑥void mdm_append_data(char data)；
    功能說(shuō)明：向緩沖區(qū)隊(duì)尾添加一個(gè)數(shù)據(jù)，該函數(shù)在串口接收中斷中被調(diào)用。
4．4．3 上層傳真模塊
    上層傳真模塊分為發(fā)送傳真接口和接收傳真接口兩大部分，其中發(fā)送部分為1個(gè)集成的函數(shù)，而接收部分為3個(gè)按時(shí)序相接的功能分支。
    (1)發(fā)送傳真接口
    原型說(shuō)明：im fax_send(char*num，char*page[])；
    功能說(shuō)明：發(fā)送傳真，對(duì)端的傳真號(hào)為num，傳真文件通過(guò)page變量傳入，結(jié)尾以NULL指針或空字符串結(jié)尾。
    (2)接收傳真接口
    ①int faX_ringing()；
    功能說(shuō)明：循環(huán)檢測(cè)并接收響鈴，只有接通了，才會(huì)跳出循環(huán)。該函數(shù)可以在一個(gè)task里面調(diào)用，進(jìn)行傳真監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)收到“RING”時(shí)，退出函數(shù)，等待應(yīng)答。
    ②int fax_answer_and_connect()；
    功能說(shuō)明：傳真應(yīng)答與連接。該函數(shù)一般在收到“RING”時(shí)調(diào)用。當(dāng)連接成功后，即可接收傳真。
    ③int fax_receive(int*pagenum，char*dir)；
    功能說(shuō)明：接收傳真，收到的傳真頁(yè)數(shù)為pagenum，保存地址為dir。只有當(dāng)連接成功后才能調(diào)用該函數(shù)。
4．5 傳真接口調(diào)用示例
   

結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)無(wú)紙傳真進(jìn)行了研究，在該研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一套實(shí)用的系統(tǒng)，其擴(kuò)展性強(qiáng)，具有很好的移植性。一般的傳真機(jī)僅限于紙質(zhì)文件的傳輸，而本系統(tǒng)則輔助實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)文件與電子版文件的轉(zhuǎn)化傳輸。本系統(tǒng)存在的意義在于，用戶(hù)可以將此傳真模塊作為一個(gè)獨(dú)立功能單元集成到其他產(chǎn)品中，以較低的成本來(lái)增加產(chǎn)品的功能。