新型数据通信方式GSM-R手持终端的实现 - 全文

　1 GSM-R手持终端功能概述

　　铁道部已确定以GSM-R系统作为中国铁路无线通信平台，因此，以GSM-R为平台建立综合无线通信系统，为GSM-R网络的各种作业提供无线通信手段和设备已迫在眉睫。

       WT588D接收端反应速度较快，整个语音信息从触发到播放并发送BUSY反馈信号的时间不到5ms，能在速度上很好的迎合整套系统所追求的速率。在配套软件方面，从语音编辑到下载语音工程，操作都趋向简易模式，不仅能很好的被资深设计者使用，而且也适合入门者做实验测试。

　　GSM-R手持终端在编组站中有着特殊的应用。编组站的作业以小组为单位，完成调车、编组工作。小组的每位成员均配备GSM-R专业手持终端，并根据职务要求的不同，具有各自的功能。本文主要介绍语音回示功能的实现方式。调车长发出的调度指令种类是有限的，因此，GSM-R手持终端可以先预存相应指令的语音信息，然后根据收到的调度指令，播放出相应的语音。这个功能是编组站手持终端必备的功能，本文采用ATMEGA48和WT588D语音芯片完成此功能，并采用一种全新的方法高效完成ATMEGA48与WT588D语音芯片之间的通信与控制，完全发挥了ATMEGA48高速的特点。

　　2 器件简述

　　本文采用WT588D语音芯片与ATMEGA48之间的SPI控制接口，完成所需要的语音回示功能。

　　ATMEGA48是AVR单片机的一个型号，AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。它还废除了机器周期，采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，可高速执行指令。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

　　WT588D语音芯片采用语音数据直接在SPI-Flash存储器中存储的技术，下载速度快，并经过D/A转换后输出。因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。功能多、音质好、应用范围广性能稳定是WT588D系列语音芯片的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷。能够完全取代ISD1700、ISD1425、ISD4000、PM50等语音芯片。

　　WT588D系列语音芯片具有如下特点：变更语音内容简单，放音方便；高音质，声音自然；支持2M～64M的SPI-Flash内存，在6K采样下能达到2149S的放音；手动操作/微控制器控制兼容；放音时可用边沿触发或电平触发；可以循环放音；具有自动节电控制，节电时静态电流小于10uA；信息存储无需后背电源；最多可加载220段语音；PWM输出可直接推动0.5W/8Ω扬声器；可重复擦除烧写10万次；放音可用单片机编程控制；单电源工作；模块封装（带FLASH存储器）为16脚、28脚嵌入式形式，芯片封装为DIP18、SSOP20和LQFP32形式。

　　WT588D VoiceChip 软件是根据WT588D 语音芯片特性开发出来的相对应配套软件。它很好的完成对WT588D 语音芯片各种控制模式程序的写入，当单片机口线不够可选用一线串口控制或SPI串口控制，更有能够作为扩展单片机I/O口线的功能，非常适合在单片机场合下使用。软件还能完成语音的替换、组合，音频输出模式的设置等，而且操作界面简单，编辑过程方便。

　3 硬件电路设计

　　WT588D的所有操作都由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口SPI送入。SPI 协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作，因此对WT588D而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据。使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，因此硬件设计相对比较简单。如图1所示。

　　ATMEGA48作为SPI主设备，WT588D作为SPI从设备。ATMEGA48通过/SS片选WT588D,MOSI控制线向WT588D发送控制信息，播放相应的语音信息。当WT588D读到语音尾端时，会产生一个中断，ATMEGA48接收此中断，播放下一段语音。

　　具体引脚连接如下：

　　1、ATMEGA48的SS与WT588D的CS相连，当ATMEGA48对WT588D进行操作时，选通此芯片。

　　2、ATMEGA48的MOSI与WT588D的DATA相连，进行数据的传输。

　　3、ATMEGA48的SCLK与WT588D的CLK相连，提供串行数据的时钟。

　　4、ATMEGA48的中断线与WT588D的BUSY相连，可以作为语音播放完毕的中断信号。

　　5、WT588D可以设置为DAC（外接功放）输出或者PWM（直接驱动喇叭）输出，播放选中的语音信息。

　　4 软件实现

　　本文使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，对其相应的地址进行读操作，完成选定语音的播放。SPI收发程序往往是一段采用轮循方式完成收发的简单代码，也就是单片机通过MOSI寄存器发送数据。同时根据查询MOSI状态寄存器的状态来判断是否能发送下一个数据。在此过程中，单片机处于死等的状态，不能进行任何其它任务的执行。对于高速的AVR来讲，采用这种方式大大降低了MCU的效率，无法发挥其高速、高效的特点。同时，由于ATMEGA48在完成语音回示的同时，还需要完成语音通话、故障记录等功能，因此需要MCU能更高效地完成SPI收发功能。

　　在使用ATMEGA48时，根据芯片本身的特点（片内大容量RAM，适合采用高级语言编写系统程序），使用了一种新的方法，采用接收和发送缓冲器加中断的方法，编写高效可靠的SPI收发程序。

　　基本思路如下：

　　1、发送数据时，如果MOSI数据寄存器为空，则直接将需要发送的数据填入MOSI数据寄存器，由单片机自动完成数据的发送。

　　2、发送数据时，如果MOSI数据寄存器不为空，也就是说有待发的数据，此时将需要发送的数据填入发送数据缓冲区（构建在ATMEGA48的RAM中）。单片机将数据置入发送缓冲区中，就算已经完成了数据的发送，可以执行别的指令，这样，充分发挥了其并行高速运行的特点。本文在中断处理程序中完成对发送缓冲区数据的处理。每次MOSI数据寄存器数据发送完成，都会产生一个中断，因此当产生中断时，表明前一个数据已经发送完成，将待发的发送缓冲区数据置入MOSI数据寄存器，进行数据的自动发送。

　　以下为SPI数据发送程序和SPI中断处理程序，流程分别如图2、图3所示。

图2 数据发送程序

图3 中断处理程序

　　采用缓冲加中断的SPI发送方法，能够高效地完成数据的收发，提高MCU的效率，具有以下优点：

　　l、采用两个8字节的接收和发送缓冲器来提高MCU的效率，如当程序发送数据时，如果SPI口不空闲，就将数据放入发送缓冲器中，MCU不必等待，可以继续执行其它工作。而SPI的硬件发送完一个数据后，产生中断，由中断服务程序负责将发送缓冲器中的数据依次送出。

　　2、数据缓冲器结构是一个线性的循环队列，由读、写和队列计数器3个指针控制，用于判断队列是否空、溢出，以及当前数据在队列中的位置。

　　3、由于在数据发送程序和中断服务程序中都要对数据缓冲器的读、写和队列计数器3个指针进行判断和操作，为了防止冲突，在数据发送程序中对3个指针操作时临时将中断关闭，提高了程序的可靠性。

　　5 结语

　　整个控制系统采用缓冲加中断的SPI发送方法，使用两个数据缓冲器，分别构成循环队列。这种程序设计思路，不但程序的结构性完整，同时也解决了高速MCU和低速串口之间的矛盾，实现 程序中任务的并行运行，提高了MCU的运行效率，同时这种程序设计的思路对编写UART、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鉴。