μC/OS-II基礎上實現(xiàn)的無紙傳真收發(fā)系統(tǒng)[圖]

摘要：對T.30協(xié)議和T.4協(xié)議進行了深入的研究，設計出了可靠的傳真收發(fā)流程。設計的傳真數(shù)據(jù)解析樹對數(shù)據(jù)進行解析。在μC/OS-II操作系統(tǒng)下實現(xiàn)了無紙傳真收發(fā)。該系統(tǒng)對資源要求低，能夠在低端嵌入式硬件上運行，支持的最高傳輸速率為14400bps。用戶可以將該系統(tǒng)視作一個傳真機功能模塊，嵌入到諸如可視電話之類的設備中。以較低的成本集成傳真功能，也可以作為獨立系統(tǒng)應用于移動辦公場合。

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、快速、方便等特點，是企業(yè)不可或缺的通信工具。傳統(tǒng)硬件傳真機存在很多問題，影響了企業(yè)使用傳真機的成本和效率。很多企業(yè)已經(jīng)放棄使用傳統(tǒng)傳真機，或是尋找替代產(chǎn)品。無紙傳真系統(tǒng)正是針對企業(yè)的這種需求應運而生的。其實質(zhì)是電子化收發(fā)傳真。無紙化傳真系統(tǒng)啟動后，在無人參與條件下可自動可靠地運行，減少多余的環(huán)節(jié)，縮短信息的傳遞時間，使傳真盡快得到處理。同時，增強了傳真的保密性。電子化過程可以節(jié)省大量資源，包括人力、紙張、打印、通信費用、維護費用等，從而減少成本。目前無紙化傳真系統(tǒng)對企業(yè)的重要作用已經(jīng)逐步顯現(xiàn)，使用也越來越廣泛。

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，是標準傳真。它對3類傳真機在普通電話網(wǎng)上的通信流程、所采用的信號格式、控制信令以及糾錯方式都作了詳細的描述和規(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個獨立而又連貫的階段來描述：呼叫建立階段、報文傳輸前標識和選擇所需性能的過程、報文傳輸階段、報文后處理階段和呼叫釋放階段。其中傳真報文的傳輸將按照T4協(xié)議中所描述的調(diào)制方式進行。

T4是ITU—T制定的傳真協(xié)議。該協(xié)議用于3類傳真終端文件傳輸?shù)臉藴驶瘏f(xié)議。它定義了黑白文件和彩色文件在普通電話交換網(wǎng)，國際租用電路以及ISDN進行三類傳真的各種特性，包括編碼、線掃描等定義。

2 μC/OS-lI操作系統(tǒng)介紹

μC/OS-II是一種公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)。μC/OS-II大部分代碼是用C語言編寫的。CPU硬件相關部分是用匯編語言編寫的?？偭考s200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到其他的CPU上。用戶只要有標準的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嵌入到開發(fā)的產(chǎn)品中。μC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。最小內(nèi)核可編譯至2KB。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)處理的算法設計

收到傳真數(shù)據(jù)后，往往需要對數(shù)據(jù)進行解析，比如生成tiff文件、格式轉(zhuǎn)換、錯誤統(tǒng)計等。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進行數(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)計頻度，生成一種帶權(quán)路徑長度最短的二叉樹。從根節(jié)點到葉子節(jié)點所經(jīng)歷的路徑即代表該葉子節(jié)點的編碼。本文采用了這種思想對傳真數(shù)據(jù)進行解析，比如N的編碼為0001，該編碼為前綴編碼，每個碼字之間不會出現(xiàn)混淆?；舴蚵鏄淙鐖D1所示。

基于霍夫曼樹的思想，將T.4協(xié)議中對傳真掃描點的編碼構(gòu)建成一顆帶權(quán)二叉樹，如圖2所示。

其中每一個葉子節(jié)點對應于某一個編碼，首先設置一個游標，用于標識當前位置，其初始位置為根節(jié)點，收到傳真數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)中的bit位移動游標，可能有以下3種情況：

①游標到達某一個葉子節(jié)點，但此葉子節(jié)點不是EOL，表明收到一個完整的編碼，但1行還沒結(jié)束，游標返回到根節(jié)點；
②游標到達EOL葉子節(jié)點，表明1行結(jié)束，游標返回根節(jié)點；
③游標下一步?jīng)]有路徑可走，表明數(shù)據(jù)出錯，此時需要搜尋下一個EOL用于重新同步。

4 無紙傳真收發(fā)系統(tǒng)設計

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。本文設計的系統(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模塊是從交換機的兩根電話線中分離出來的2個獨立傳真模塊。右側(cè)的FAX模塊是普通紙傳真機，為測試左側(cè)虛框內(nèi)模塊的功能而配置的。左側(cè)虛線框內(nèi)4大模塊為無紙傳真模塊。

無紙傳真模塊中，左側(cè)的PC機為輔助設備，利用PC機上的集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境IAR和代碼編輯軟件sourceinsight進行源碼編輯與調(diào)試，將調(diào)試無誤的代碼通過JLINK下載到STM32芯片中。STM32芯片和Fax Modem都是通過USB線與PC機相連來供電。

Fax Modem內(nèi)部包含CX68033芯片，其通過串口與STM32芯片相連，支持標準的AT命令集，使得二者可以交互信令和數(shù)據(jù)，STM32芯片主要負責任務管理和文件管理，并且通過串口控制Fax Modem。同樣為了便于測試，焊了一根線接出“USB轉(zhuǎn)串口模塊”來與電腦通信，進而可以利用串口調(diào)試助手軟件來輔助測試。

4.3 總流程設計

兩臺傳真機相互通信的規(guī)約稱為協(xié)議或傳真呼叫時間序列，分為A、B、C、D、E五個階段，如圖4所示。

(1)階段A：呼叫建立階段

這一階段與電話呼叫建立的過程相似，不同之處在于要發(fā)送包含標識發(fā)送/接收終端的傳真單音。

(2)階段B：報文前處理階段

這個處理階段主要進行傳真能力的協(xié)商與訓練。完成傳真機功能的鑒別、選送合適的傳輸模式、核對相位、發(fā)送線路校驗信號以及可以接收的信號等。

過程描述：首先由被叫站發(fā)送DIS信號，DIS信號中包含了被叫站傳真機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間等。當主叫站收到DIS信號后，了解到被叫站傳真機的功能，再根據(jù)本站傳真機的功能和操作人員事先安排的指令，發(fā)出DCS信號，DCS信號是數(shù)字接收指令，由發(fā)送方進行發(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間等。被叫站接收到DCS信號后，按命令選擇合適的工作模式，這時，主叫站發(fā)出線路校驗信號TCF。TCF信號是一個持續(xù)時間為1.5s的0序列，它用于校驗信道在這個數(shù)碼率下可接受的程度。當被叫站收到這個線路校驗信號之后認為合格，就發(fā)送CFR信號，CFR信號標志全部報文前處理過程已經(jīng)結(jié)束。當主叫站收到CFR信號，就可以發(fā)送稿件。

(3)階段C：報文傳輸過程

按照T.4規(guī)程傳輸傳真報文，并進行報文傳輸控制，包括報文同步、誤碼檢測和糾錯、線路監(jiān)測等。

(4)階段D：報文后處理階段

這個處理階段主要提供報文的證實、報文結(jié)束、多頁續(xù)發(fā)等控制操作。當發(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)送還是重新進行報文前處理后再發(fā)送，是否暫時中斷進行通話后再發(fā)送等。為了滿足上述要求，發(fā)送方共設置6種主要的傳真控制字段分別對應6種指令。當接收方收到這6種指令中的一種后，就會發(fā)出響應信號，這些指令和響應只有傳真控制字段，而無傳真信息字段。

(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，當最后一頁稿件發(fā)送完畢后，進行最后一個信息處理，發(fā)送EOP信號，在EOP信號之后，過程轉(zhuǎn)入階段E，呼叫釋放，切斷接續(xù)，電路由傳真狀態(tài)返回到電話狀態(tài)。

圖5是單頁傳真正常傳輸?shù)囊粋€實例，便于傳真流程的理解。

4.4 功能模塊設計

本設計自底向上包括如下3個功能模塊，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。各個模塊由μC/OS-II負責管理，其中底層串口模塊包含了所有基于串口的基本操作，包括讀串口和寫串口等；中層數(shù)據(jù)緩沖區(qū)模塊做了大量的細節(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。

①void RxInterrupt_Handler()；
功能說明：fax modem每次接收到數(shù)據(jù)后都會發(fā)生中斷，跳入此函數(shù)。通過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)；
功能說明：直接向串口中發(fā)送一個字節(jié)，并等待完成。

③void USART1 SendData(INT8U*data，INT16S len)；
功能說明：直接向串口寫數(shù)據(jù)并等待完成，數(shù)據(jù)長度不限。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

本模塊采用隊列來管理數(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)存入隊尾緩存，上層傳真模塊從隊頭取出數(shù)據(jù)進行處理，這種方式使得程序不必關心串口接收數(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)，供上層傳真機模塊調(diào)用。

①void mdm_init_buffer()；
功能說明：本函數(shù)用于初始化緩沖區(qū)，一般在程序啟動時調(diào)用。

②char*mdm_get_line(int timeout)；
功能說明：在timeout規(guī)定的時間里面，等待并讀取一行數(shù)據(jù)(以/r/n結(jié)尾)，如果超時則返回NULL。

③int mdm_get_byte(char*byte，int timeout)；
功能說明：在timeout規(guī)定的時間里，等待并讀取一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則返回1，如果超時則返回0。

④int mdm_get_byte_count()；
功能說明：獲取當前緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量，單位為字節(jié)。

⑤void mdm_clear_buffer()；
功能說明：清空緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。

⑥void mdm_append_data(char data)；
功能說明：向緩沖區(qū)隊尾添加一個數(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個集成的函數(shù)，而接收部分為3個按時序相接的功能分支。

(1)發(fā)送傳真接口

原型說明：im fax_send(char*num，char*page[])；
功能說明：發(fā)送傳真，對端的傳真號為num，傳真文件通過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()；
功能說明：循環(huán)檢測并接收響鈴，只有接通了，才會跳出循環(huán)。該函數(shù)可以在一個task里面調(diào)用，進行傳真監(jiān)聽，當收到“RING”時，退出函數(shù)，等待應答。

②int fax_answer_and_connect()；
功能說明：傳真應答與連接。該函數(shù)一般在收到“RING”時調(diào)用。當連接成功后，即可接收傳真。

③int fax_receive(int*pagenum，char*dir)；
功能說明：接收傳真，收到的傳真頁數(shù)為pagenum，保存地址為dir。只有當連接成功后才能調(diào)用該函數(shù)。

4.5 傳真接口調(diào)用示例

結(jié)語

本文對無紙傳真進行了研究，在該研究的基礎上開發(fā)出一套實用的系統(tǒng)，其擴展性強，具有很好的移植性。一般的傳真機僅限于紙質(zhì)文件的傳輸，而本系統(tǒng)則輔助實現(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，用戶可以將此傳真模塊作為一個獨立功能單元集成到其他產(chǎn)品中，以較低的成本來增加產(chǎn)品的功能。

作者：張聰敏 劉軍 劉福良 游向東 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)