核心器件: ISD4003


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。

        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Atmega128和ISD4003完成此功能，并采用一种全新的方法高效完成Atmega128与ISD4003之间的通信与控制，完全发挥了Atmega128高速的特点。

硬件电路设计

器件简述

        本文采用Atmega128与ISD4003之间的SPI控制接口，完成所需要的语音回示功能。

        Atmega128是AVR单片机的一个型号，其废除了机器周期，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，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。

ISD4003系列语音芯片的工作电压为3V,单片录放时间为4～8分钟,音质好，芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存储在片内Flash中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为 4.0、5.3、6.4或8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降。

硬件电路设计

图 1 硬件电路图

        ISD4003的所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)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ISD4003而言,在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，因此硬件设计相对比较简单。如图1所示。

        Atmega128作为SPI主设备，ISD4003作为SPI从设备。Atmega128通过/SS片选ISD4003,MOSI控制线向ISD4003发送控制信息，播放相应的语音信息。当ISD4003读到语音尾端时，会产生一个中断，Atmega128接收此中断，播放下一段语音。

        具体引脚连接如下： 

1.  Atmega128的SS的CS与ISD4003相连，当Atmega128对ISD4003进行操作时，选通此芯片。 
2.  Atmega128的MOSI/MISO与ISD4003的MOSI/MISO相连，进行数据的输入/输出。 
3.  Atmega128的SCLK与ISD4003的SCLK相连，提供串行数据的时钟。
4. INT接Atmega128的中断线，作为语音播放完毕的中断信号。
5. ISD4003的AUD_OUT引脚接功放或者喇叭，播放选中的语音信息。

软件实现

        本文使用Atmega128的SPI接口直接控制ISD4003，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(Polling)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Atmga128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。

图 2 数据发送程序

        在使用Atmega128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Atmega128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3 中断处理程序

void SPISend(unsigned char SPIDATA)
{
while (SPI_Rx_Count == SPI_BUFFER_SIZE)//发送缓冲区满，清空
{ SPI_Rx_Count=0;
SPI_Rd_Count=0; }
_CLI();
if (SPI_Rx_Count||(SPI_OK==0)) file://发送缓冲区有待发数据或SPI正在发送数据时
{SPI_TX_BUFF[SPI_Wr_Count] = SPIDATA; file://将数据放入发送缓冲区排队
if (++SPI_Wr_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Wr_Count = 0; file://调整指针
++SPI_Rx_Count; }

else
{ SPDR =SPIDATA; file://发送缓冲区中空且SPI口空闲，放入SPDR发送
SPI_OK = 0; }
_SEI(); }

#pragma vector=SPI_STC_vect // SPI中断
__interrupt void SPI_STC_vect_interrupt()
{
SPI_OK = 1; // SPI 空闲
if (SPI_Rx_Count) file://如果发送缓冲区中有待发的数据
{
裇PI_Rx_Count;
SPDR = SPI_TX_BUFF[SPI_Rd_Count]; file://发送字节数据，并调整指针
if (++SPI_Rd_Count == SPI_BUFFER_SIZE) SPI_Rd_Count = 0;
SPI_OK = 0; // SPI 发送中
}
}

        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：

1. 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。

结语

        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。

参考文献

1.  Atmegal128 DATA SHEET 
2.  ISD4003 Series DATA SHEET
3. 基于GSM-R编组站综合无线通信解决方案.　铁道科学研究院