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ATmega103單片機(jī)在跳頻系統(tǒng)數(shù)字信號處理中的應(yīng)用
摘要：文中介紹了ATMEL公司的高性能AVR單片機(jī)ATmega103的主要性能特點(diǎn)，給出了ATmega103在FH跳頻系統(tǒng)數(shù)字信號處理模塊中的應(yīng)用方法，詳細(xì)介紹了片內(nèi)同步串口SPI的使用技巧，同時給出了SPI的通信應(yīng)用程序。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；跳頻；SPI；數(shù)字信號處理；ATmega103
ＡＴｍｅｇａ１０３單片機(jī)是ＡＴＭＥＬ公司推出的精簡指令集（ＲＩＳＣ）ＡＶＲ（ＡＤＶＡＮＣＥ ＲＩＳＣ）系列單片機(jī)產(chǎn)品，這是一種增強(qiáng)型ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)，采用了ＣＭＯＳ技術(shù)的８位微控制器?該結(jié)構(gòu)能有效支持高級語言以及密集度極大的匯編器代碼程序。
跳頻系統(tǒng)（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(nèi)跳變的通信系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)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(yīng)用。本系統(tǒng)方案中，信號處理模塊主要完成跳頻模式（ＦＨ）下有關(guān)數(shù)字信號的處理，包括話音編解碼、話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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
本文介紹ＡＴｍｅｇａ１０３單片機(jī)的特點(diǎn)及其在ＦＨ系統(tǒng)數(shù)字信號處理模塊中的使用方法，同時詳細(xì)介紹ＳＰＩ(Ｓｅｒｉａｌ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)的特點(diǎn)和應(yīng)用。
１�。粒裕恚澹纾幔保埃硢纹瑱C(jī)概述
ＡＴｍｅｇａ１０３是基于ＡＶＲ ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)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(jī)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(dá)１２ＭＨｚ；
●具有１２０條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；
●帶有１２８ｋ字節(jié)片內(nèi)可下載的Ｆｌａｓｈ存儲器（ＳＰＩ串行下載１０００次壽命）和４ｋ字節(jié)的片內(nèi)ＲＡＭ以及４ｋ字節(jié)的片內(nèi)ＥＥＰＲＯＭ；
●有３２條可編程Ｉ／Ｏ線、８條輸入線和８條輸出線；
●具有３２個８位通用寄存器；
●內(nèi)含２個８位定時器和１個１６位定時器；
●帶有可編程串行ＵＡＲＴ＋ＳＰＩ接口；
●具有內(nèi)部中斷源和８個外部中斷源；
●帶有８通道１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)模擬比較器以及看門狗等電路；
●可在線編程。
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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價比的微控制器。
２ 跳頻信號處理對單片機(jī)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(shù)據(jù)處理組織等任務(wù)。單片機(jī)是該模塊的核心，模塊的許多功能都是在單片機(jī)的直接或間接參與下完成的。綜合考慮，單片機(jī)在該模塊中的作用大致如下：
（１）完成大量數(shù)據(jù)交換，因?yàn)殡娕_在工作時需要接收或傳送大量其它單片機(jī)以及模塊內(nèi)部的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)；
（２）完成快速實(shí)時處理功能，因?yàn)槟K對許多信息要求立即處理，例如ＴＯＤ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｄａｙ）信息、話音數(shù)據(jù)、實(shí)時工作頻率計(jì)算等。
（３）用于數(shù)據(jù)交換，包括單片機(jī)接口、ＴＯＤ、同步信息、控制狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)接口等。
（４）完成大量運(yùn)算。一般電臺在ＦＨ工作方式時，每跳都需要計(jì)算ＴＯＤ、工作頻率、接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的重新組織。
（５）通過足夠的Ｉ／Ｏ口來提供多種控制狀態(tài)線，以供電臺及模塊內(nèi)部使用。
（６）通過片內(nèi)大量數(shù)據(jù)來存儲區(qū)存取運(yùn)算過程中產(chǎn)生的大量中間數(shù)據(jù)。
３ 設(shè)計(jì)思路
根據(jù)電臺ＦＨ信號處理模塊對單片機(jī)的要求，如果選用８９Ｃ５Ｘ系列單片機(jī)，不但在實(shí)現(xiàn)功能上比較困難（如運(yùn)算速度、Ｉ／Ｏ口數(shù)量等），而且所需的外圍擴(kuò)展電路也必須增加（如ＲＡＭ，通信口等）。而選用ＡＴｍｅｇａ１０３單片機(jī)則能較好地滿足設(shè)計(jì)要求，因此，本設(shè)計(jì)選用ＡＴｍｅｇａ１０３單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)。為了便于調(diào)試、維護(hù)及功能擴(kuò)展，該系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方案；而且考慮到軟件的可靠性，還增加了容錯和冗余設(shè)計(jì)；同時，針對數(shù)據(jù)接口多的特點(diǎn)，程序中還設(shè)計(jì)了簡明、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�(yīng)用
由上述描述可知，ＳＰＩ在設(shè)計(jì)中占有重要的地位，模塊內(nèi)
部的主要控制和數(shù)據(jù)交換都由其完成，下面詳細(xì)介紹ＳＰＩ在模塊中的設(shè)計(jì)方法。
４．１ ＳＰＩ的工作原理
ＡＴｍｅｇａ１０３和外設(shè)之間可通過ＳＰＩ進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)傳輸。主從ＣＰＵ的ＳＰＩ連接見圖２所示。其中，ＳＣＫ為主機(jī)的時鐘輸出和從機(jī)的時鐘輸入。把數(shù)據(jù)寫入主機(jī)ＳＰＩ數(shù)據(jù)寄存器的操作將啟動ＳＰＩ時鐘產(chǎn)生器，此時，數(shù)據(jù)將從主機(jī)的ＭＯＳＩ移出，并從從機(jī)的ＭＯＳＩ移入，移完一個字節(jié)后，ＳＰＩ時鐘停止，并設(shè)置發(fā)送結(jié)束標(biāo)志。此時如果ＳＰＣＲ的ＳＰＩＥ（ＳＰＩ中斷使能）置位，則引發(fā)中斷。選擇某器件為從機(jī)時，可將從機(jī)選擇輸入端ＳＳ拉低。主從機(jī)的移位寄存器可以看成是一個分布式的１６ 位循環(huán)移位寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)移向從機(jī)的同時，數(shù)據(jù)也將從從機(jī)移向主機(jī)，從而在移位過程中實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器ＳＰＤＲ。其中ＳＰＣＲ用于設(shè)置ＳＰＩ的中斷使能、數(shù)據(jù)傳輸順序、主從機(jī)選擇、時鐘相位和時鐘速率等；ＳＰＳＲ為ＳＰＩ中斷標(biāo)志，用于標(biāo)志寫沖突。ＳＰＤＲ寄存器用于在寄存器文件和ＳＰＩ移位寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)。寫該寄存器時，將先對數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化，讀該寄存器時，讀到的將是移位寄存器接收緩沖區(qū)的值。
４．２ ＳＰＩ的程序設(shè)計(jì)
在該ＦＨ信號處理模塊中，單片機(jī)通過ＳＰＩ與ＦＰＧＡ交換數(shù)據(jù)。ＦＰＧＡ選用Ｘｉｎｌｉｘ公司的ＸＣＶ１００。下面具體介紹幾個主要的子程序：
（１）ＳＰＩ的初始化
程序在復(fù)位時，通常都要對ＳＰＩ口進(jìn)行初始化。單片機(jī)設(shè)置若為主機(jī)。ＳＰＩ的數(shù)據(jù)順序?yàn)椋蹋樱?低位?在前。ＳＣＫ時鐘空閑時為低電平，在ＳＣＫ的下降沿采樣數(shù)據(jù)；時鐘為系統(tǒng)時鐘的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(biāo)志，寫沖突標(biāo)志
ｌｄｉ ｒｘ,＄０ｆ７;
ｏｕｔ ｓｐｃｒ, ｒｘ ?;設(shè)置ＳＰＩ的傳輸參數(shù)
（２） ＳＰＩ的發(fā)送程序
單片機(jī)每次需要把１０ｂｙｔｅ的相關(guān)碼送給ＦＰＧＡ，因此應(yīng)將ＳＲＡＭ區(qū)的＄０９ｃ２－＄０９ｄｆ段設(shè)定為ＳＰＩ的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后由ＳＰＩ從該緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)直到發(fā)送完畢。ＳＰＩ的發(fā)送函數(shù)如下：
ｓｐｉ_ｓｅｎｄ:ｌｄｉ ｘｈ,＄９
ｌｄｉ ｘｌ,＄０ｃ２;
ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ ;將ＳＰＩ緩沖區(qū)的輸出地址設(shè)為＄ｃ２
ｌｄｉ ｒｙ, １０ ?;將１０ｂｙｔｅ相關(guān)碼存入＄９ｃ２開始的地址
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(qū)的輸入地址存入ｓｐｉｆｉｆｏｉ
ｌｄｉ ｒｘ,＄０ａａ ?;將發(fā)相關(guān)碼的標(biāo)志＄ａａ通過ＳＰＩ
ｏｕｔ ｓｐｄｒ,ｒｘ ?;送給ＦＰＧＡ
ｓｅｉ ?;開中斷
ｒｅｔ
（３） ＳＰＩ的中斷程序
每次ＳＰＩ發(fā)送完一字節(jié)，都要產(chǎn)生一個中斷，以使程序跳轉(zhuǎn)到ＳＰＩ的中斷程序。由于ＳＰＩ主從機(jī)的移位寄存器可以看成是一個分布式的１６ 位循環(huán)移位寄存器，而且在當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)移向從機(jī)的同時，數(shù)據(jù)也從從機(jī)移向主機(jī)，故在中斷程序中，應(yīng)首先判斷ＳＰＤＲ中的數(shù)據(jù)是否是需要接收的數(shù)據(jù)（相關(guān)值），然后判斷ＳＰＩ緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)（相關(guān)碼）是否發(fā)完，如沒有，則繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)完為止。具體程序如下：
ｓｐｉ_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(shù)據(jù)，“０”為有效
ｂｒｎｅ ｓｐｉ_２ ?不等于０，跳
ｉｎ ｘｌ, ｓｐｄｒ
ｓｔｓ ｉｎｃｏｒｂｕｆ,
ｘｌ ?;將相關(guān)值存入ｉｎｃｏｒｂｕｆ
ｓｐｉ_２: ｌｄｓ ｘｌ, ｓｐｉｆｉｆｏｏ ;比較緩沖區(qū)的輸入，輸出指針
ｌｄｓ ｓｐｒｘ, ｓｐｉｆｉｆｏｉ
ｃｐ ｘｌ. ｓｐｒｘ ?;
ｂｒｅｑ ｓｐｉｅｎｄ ?;相等，則數(shù)據(jù)發(fā)完，跳
ｌｄｉ ｘｈ,＄９ ?;不等，則取下一個字節(jié)送入ｓｐｄｒ
ｌｄ ｓｐｒｘ, ｘ＋
ｏｕｔ ｓｐｄｒ, ｓｐｒｘ
ｃｐｉ ｘｌ, ＄０ｅ０ ?;調(diào)整ｓｐｉｆｉｆｏｏ指針
ｂｒｌｏ ｓｐｉ_０ ?;未超過緩沖區(qū)范圍，跳
ｌｄｉ ｘｌ, ＄０ｃ２ ?;超過，將緩沖區(qū)開始地
址給ｓｐｉｆｉｆｏｏ
ｓｐｉ_０: ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ;
ｓｐｉｅｎｄ:ｐｏｐ ｘｌ
ｏｕｔ ｓｒｅｇ,ｘｌ
ｐｏｐ ｘｈ
ｐｏｐ ｘｌ
ｒｅｔｉ
５ 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)方案已通過軟硬件調(diào)試，結(jié)果表明：ＡＴ-ｍｅｇａ１０３單片機(jī)較８９Ｃ５Ｘ系列單片機(jī)在資源和功能上都有很大的提高，不但控制更加簡單、靈活，而且能夠節(jié)省不少外圍電路，因此具有成本和體積上的優(yōu)勢，可完全滿足跳頻信號處理模塊的功能要求。
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