AVR單片機在跳頻系統數字信號處理中的應用

ＡＴｍｅｇａ１０３單片機是ＡＴＭＥＬ公司推出的精簡(jiǎn)指令集（ＲＩＳＣ）ＡＶＲ（ＡＤＶＡＮＣＥ ＲＩＳＣ）系列單片機產(chǎn)品，這是一種增強型ＲＩＳＣ結構，采用了ＣＭＯＳ技術(shù)的８位微控制器?該結構能有效支持高級語(yǔ)言以及密集度極大的匯編器代碼程序。

跳頻系統（ＦＨ）是指載波頻率按某種跳頻圖案（跳頻序列）在很寬的頻帶范圍內跳變的通信系統，由于該系統具有抗干擾、抗多徑和抗衰落性等能力，故在軍用和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。本系統方案中，信號處理模塊主要完成跳頻模式（ＦＨ）下有關(guān)數字信號的處理，包括話(huà)音編解碼、話(huà)音組織及與同步有關(guān)的操作等，這些技術(shù)目前是跳頻系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文介紹ＡＴｍｅｇａ１０３單片機的特點(diǎn)及其在ＦＨ系統數字信號處理模塊中的使用方法，同時(shí)詳細介紹ＳＰＩ(Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)的特點(diǎn)和應用。

１?。粒裕恚澹纾幔保埃硢纹瑱C概述

ＡＴｍｅｇａ１０３是基于ＡＶＲ ＲＩＳＣ結構的８－ｂｉｔ低功耗ＣＭＯＳ微處理器，它吸取了ＰＩＣ系列及８０５１系列單片機的優(yōu)點(diǎn)，并作了重大改進(jìn)，其特點(diǎn)如下：

●供電電壓為２．７～６Ｖ，主頻最高可達１２ＭＨｚ；

●具有１２０條指令，大多數指令執行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；

●帶有１２８ｋ字節片內可下載的Ｆｌａｓｈ存儲器（ＳＰＩ串行下載１０００次壽命）和４ｋ字節的片內ＲＡＭ以及４ｋ字節的片內ＥＥＰＲＯＭ；

●有３２條可編程Ｉ／Ｏ線(xiàn)、８條輸入線(xiàn)和８條輸出線(xiàn)；

●具有３２個(gè)８位通用寄存器；

●內含２個(gè)８位定時(shí)器和１個(gè)１６位定時(shí)器；

●帶有可編程串行ＵＡＲＴ＋ＳＰＩ接口；

●具有內部中斷源和８個(gè)外部中斷源；

●帶有８通道１０位Ａ／Ｄ轉換器、片內模擬比較器以及看門(mén)狗等電路；

●可在線(xiàn)編程。

ＡＴｍｅｇａ１０３因其上述特點(diǎn)使其成為一種適合于多功能、快速，且具有高度靈活性和高性?xún)r(jià)比的微控制器。

２　跳頻信號處理對單片機的要求

跳頻信號處理模塊是ＦＨ電臺的關(guān)鍵部分之一，主要用于完成電臺的同步及有關(guān)數據處理組織等任務(wù)。單片機是該模塊的核心，模塊的許多功能都是在單片機的直接或間接參與下完成的。綜合考慮，單片機在該模塊中的作用大致如下：

（１）完成大量數據交換，因為電臺在工作時(shí)需要接收或傳送大量其它單片機以及模塊內部的有關(guān)參數數據；

（２）完成快速實(shí)時(shí)處理功能，因為模塊對許多信息要求立即處理，例如ＴＯＤ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｄａｙ）信息、話(huà)音數據、實(shí)時(shí)工作頻率計算等。

（３）用于數據交換，包括單片機接口、ＴＯＤ、同步信息、控制狀態(tài)參數數據接口等。

（４）完成大量運算。一般電臺在ＦＨ工作方式時(shí)，每跳都需要計算ＴＯＤ、工作頻率、接收或發(fā)送數據的重新組織。

（５）通過(guò)足夠的Ｉ／Ｏ口來(lái)提供多種控制狀態(tài)線(xiàn)，以供電臺及模塊內部使用。

（６）通過(guò)片內大量數據來(lái)存儲區存取運算過(guò)程中產(chǎn)生的大量中間數據。

３　設計思路

根據電臺ＦＨ信號處理模塊對單片機的要求，如果選用８９Ｃ５Ｘ系列單片機，不但在實(shí)現功能上比較困難（如運算速度、Ｉ／Ｏ口數量等），而且所需的外圍擴展電路也必須增加（如ＲＡＭ，通信口等）。而選用ＡＴｍｅｇａ１０３單片機則能較好地滿(mǎn)足設計要求，因此，本設計選用ＡＴｍｅｇａ１０３單片機來(lái)實(shí)現信號處理模塊的功能。圖１所示是其硬件原理圖。

此外，在實(shí)際使用中，還需注意軟件設計。為了便于調試、維護及功能擴展，該系統采用模塊化程序設計方案；而且考慮到軟件的可靠性，還增加了容錯和冗余設計；同時(shí)，針對數據接口多的特點(diǎn)，程序中還設計了簡(jiǎn)明、通用性的接口通信協(xié)議。

４?。粒簦恚澹纾幔保埃车模樱校稍冢疲戎械膽?/B>

由上述描述可知，ＳＰＩ在設計中占有重要的地位，模塊內部的主要控制和數據交換都由其完成，下面詳細介紹ＳＰＩ在模塊中的設計方法。

４．１ ＳＰＩ的工作原理

ＡＴｍｅｇａ１０３和外設之間可通過(guò)ＳＰＩ進(jìn)行高速同步數據傳輸。主從ＣＰＵ的ＳＰＩ連接見(jiàn)圖２所示。其中，ＳＣＫ為主機的時(shí)鐘輸出和從機的時(shí)鐘輸入。把數據寫(xiě)入主機ＳＰＩ數據寄存器的操作將啟動(dòng)ＳＰＩ時(shí)鐘產(chǎn)生器，此時(shí)，數據將從主機的ＭＯＳＩ移出，并從從機的ＭＯＳＩ移入，移完一個(gè)字節后，ＳＰＩ時(shí)鐘停止，并設置發(fā)送結束標志。此時(shí)如果ＳＰＣＲ的ＳＰＩＥ（ＳＰＩ中斷使能）置位，則引發(fā)中斷。選擇某器件為從機時(shí)，可將從機選擇輸入端ＳＳ拉低。主從機的移位寄存器可以看成是一個(gè)分布式的１６ 位循環(huán)移位寄存器。當數據從主機移向從機的同時(shí)，數據也將從從機移向主機，從而在移位過(guò)程中實(shí)現主從機的數據交換。

ＳＰＩ的主要寄存器包括控制寄存器ＳＰＣＲ、狀態(tài)寄存器ＳＰＳＲ、數據寄存器ＳＰＤＲ。其中ＳＰＣＲ用于設置ＳＰＩ的中斷使能、數據傳輸順序、主從機選擇、時(shí)鐘相位和時(shí)鐘速率等；ＳＰＳＲ為ＳＰＩ中斷標志，用于標志寫(xiě)沖突。ＳＰＤＲ寄存器用于在寄存器文件和ＳＰＩ移位寄存器之間傳遞數據。寫(xiě)該寄存器時(shí)，將先對數據傳送進(jìn)行初始化，讀該寄存器時(shí)，讀到的將是移位寄存器接收緩沖區的值。

４．２ ＳＰＩ的程序設計

在該ＦＨ信號處理模塊中，單片機通過(guò)ＳＰＩ與ＦＰＧＡ交換數據。ＦＰＧＡ選用Ｘｉｎｌｉｘ公司的ＸＣＶ１００。下面具體介紹幾個(gè)主要的子程序：

（１）ＳＰＩ的初始化

程序在復位時(shí)，通常都要對ＳＰＩ口進(jìn)行初始化。單片機設置若為主機。ＳＰＩ的數據順序為ＬＳＢ?低位?在前。ＳＣＫ時(shí)鐘空閑時(shí)為低電平，在ＳＣＫ的下降沿采樣數據；時(shí)鐘為系統時(shí)鐘的１／１２８。那么，具體的初始化程序如下：

ｒｅｓｅｔ:ｌｄｉ ｒｘ,＄０

ｏｕｔ ｓｐｓｒ,ｒｘ ?;清ＳＰＩ中斷標志，寫(xiě)沖突標志

ｌｄｉ ｒｘ,＄０ｆ７;

ｏｕｔ ｓｐｃｒ, ｒｘ ?;設置ＳＰＩ的傳輸參數

（２） ＳＰＩ的發(fā)送程序

單片機每次需要把１０ｂｙｔｅ的相關(guān)碼送給ＦＰＧＡ，因此應將ＳＲＡＭ區的＄０９ｃ２－＄０９ｄｆ段設定為ＳＰＩ的數據緩沖區，然后由ＳＰＩ從該緩沖區中取數據直到發(fā)送完畢。ＳＰＩ的發(fā)送函數如下：

ｓｐｉ_(kāi)ｓｅｎｄ:ｌｄｉ ｘｈ,＄９

ｌｄｉ ｘｌ,＄０ｃ２;

ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ ;將ＳＰＩ緩沖區的輸出地址設為＄ｃ２

ｌｄｉ ｒｙ, １０ ?;將１０ｂｙｔｅ相關(guān)碼存入＄９ｃ２開(kāi)始的地址

ｓ６７_２: ｌｄ ｒｘ, ｙ＋ ?;ｙ為相關(guān)碼存放的地址

ｓｔ ｘ＋, ｒｘ

ｓ６７_３: ｄｅｃ ｒｙ

ｂｒｎｅ ｓ６７_２

ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｉ,ｘｌ ;將ＳＰＩ緩沖區的輸入地址存入ｓｐｉｆｉｆｏｉ

ｌｄｉ ｒｘ,＄０ａａ ?;將發(fā)相關(guān)碼的標志＄ａａ通過(guò)ＳＰＩ

ｏｕｔ ｓｐｄｒ,ｒｘ ?;送給ＦＰＧＡ

ｓｅｉ ?;開(kāi)中斷

ｒｅｔ

（３） ＳＰＩ的中斷程序

每次ＳＰＩ發(fā)送完一字節，都要產(chǎn)生一個(gè)中斷，以使程序跳轉到ＳＰＩ的中斷程序。由于ＳＰＩ主從機的移位寄存器可以看成是一個(gè)分布式的１６ 位循環(huán)移位寄存器，而且在當數據從主機移向從機的同時(shí)，數據也從從機移向主機，故在中斷程序中，應首先判斷ＳＰＤＲ中的數據是否是需要接收的數據（相關(guān)值），然后判斷ＳＰＩ緩沖區中的數據（相關(guān)碼）是否發(fā)完，如沒(méi)有，則繼續發(fā)送，直到發(fā)完為止。具體程序如下：

ｓｐｉ_(kāi)ｉｎｔ:ｐｕｓｈ ｘｌ ?;保存寄存器的值

ｐｕｓｈ ｘｈ

ｉｎ ｘｌ,ｓｒｅｇ

ｐｕｓｈ ｘｌ

ｌｄｓ ｘｌ, ｒｃｏｒｍａｒｋ ?;判斷是否為有效數據，“０”為有效

ｂｒｎｅ ｓｐｉ_(kāi)２ ?不等于０，跳

ｉｎ ｘｌ, ｓｐｄｒ

ｓｔｓ ｉｎｃｏｒｂｕｆ, ｘｌ ?;將相關(guān)值存入ｉｎｃｏｒｂｕｆ

ｓｐｉ_(kāi)２: ｌｄｓ ｘｌ, ｓｐｉｆｉｆｏｏ ;比較緩沖區的輸入，輸出指針

ｌｄｓ ｓｐｒｘ, ｓｐｉｆｉｆｏｉ

ｃｐ ｘｌ. ｓｐｒｘ ?;

ｂｒｅｑ ｓｐｉｅｎｄ ?;相等，則數據發(fā)完，跳

ｌｄｉ ｘｈ,＄９ ?;不等，則取下一個(gè)字節送入ｓｐｄｒ

ｌｄ ｓｐｒｘ, ｘ＋

ｏｕｔ ｓｐｄｒ, ｓｐｒｘ

ｃｐｉ ｘｌ, ＄０ｅ０ ?;調整ｓｐｉｆｉｆｏｏ指針

ｂｒｌｏ ｓｐｉ_(kāi)０ ?;未超過(guò)緩沖區范圍，跳

ｌｄｉ ｘｌ, ＄０ｃ２ ?;超過(guò)，將緩沖區開(kāi)始地

址給ｓｐｉｆｉｆｏｏ

ｓｐｉ_(kāi)０: ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ;

ｓｐｉｅｎｄ:ｐｏｐ ｘｌ

ｏｕｔ ｓｒｅｇ,ｘｌ

ｐｏｐ ｘｈ

ｐｏｐ ｘｌ

ｒｅｔｉ

５　結束語(yǔ)

本設計方案已通過(guò)軟硬件調試，結果表明：ＡＴ-ｍｅｇａ１０３單片機較８９Ｃ５Ｘ系列單片機在資源和功能上都有很大的提高，不但控制更加簡(jiǎn)單、靈活，而且能夠節省不少外圍電路，因此具有成本和體積上的優(yōu)勢，可完全滿(mǎn)足跳頻信號處理模塊的功能要求。