ATmega103单片机在跳频系统数字信号处理中的应用

ａｔｍｅｇａ１０３ 单片机 是ａｔｍｅｌ公司推出的精简指令集（ｒｉｓｃ）ａｖｒ（ａｄｖａｎｃｅ ｒｉｓｃ）系列单片机产品，这是一种增强型ｒｉｓｃ结构，采用了ｃｍｏｓ技术的８位微控制器该结构能有效支持高级语言以及密集度极大的汇编器代码程序。

跳频系统（ｆｈ）是指载波频率按某种跳频图案（跳频序列）在很宽的频带范围内跳变的通信系统，由于该系统具有抗干扰、抗多径和抗衰落性等能力，故在军用和民用领域都得到了广泛的应用。本系统方案中，信号处理模块主要完成跳频模式（ｆｈ）下有关数字信号的处理，包括话音编解码、话音组织及与同步有关的操作等，这些技术目前是跳频系统的关键技术之一。

本文介绍ａｔｍｅｇａ１０３ 单片机 的特点及其在ｆｈ系统数字信号处理模块中的使用方法，同时详细介绍ｓｐｉ(ｓｅｒｉａｌ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)的特点和应用。

１　ａｔｍｅｇａ１０３ 单片机 概述

ａｔｍｅｇａ１０３是基于ａｖｒ ｒｉｓｃ结构的８－ｂｉｔ低功耗ｃｍｏｓ微处理器，它吸取了ｐｉｃ系列及８０５１系列 单片机 的优点，并作了重大改进，其特点如下：

●供电电压为２．７～６ｖ，主频最高可达１２ｍｈｚ；

●具有１２０条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；

●带有１２８ｋ字节片内可下载的ｆｌａｓｈ存储器（ｓｐｉ串行下载１０００次寿命）和４ｋ字节的片内ｒａｍ以及４ｋ字节的片内ｅｅｐｒｏｍ；

●有３２条可编程ｉ／ｏ线、８条输入线和８条输出线；

●具有３２个８位通用寄存器；

●内含２个８位定时器和１个１６位定时器；

●带有可编程串行ｕａｒｔ＋ｓｐｉ接口；

●具有内部中断源和８个外部中断源；

●带有８通道１０位ａ／ｄ转换器、片内模拟比较器以及看门狗等电路；

●可在线编程。

ａｔｍｅｇａ１０３因其上述特点使其成为一种适合于多功能、快速，且具有高度灵活性和高性价比的微控制器。

２　跳频信号处理对 单片机 的要求

跳频信号处理模块是ｆｈ电台的关键部分之一，主要用于完成电台的同步及有关数据处理组织等任务。 单片机 是该模块的核心，模块的许多功能都是在单片机的直接或间接参与下完成的。综合考虑，单片机在该模块中的作用大致如下：

（１）完成大量数据交换，因为电台在工作时需要接收或传送大量其它 单片机 以及模块内部的有关参数数据；

（２）完成快速实时处理功能，因为模块对许多信息要求立即处理，例如ｔｏｄ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｄａｙ）信息、话音数据、实时工作频率计算等。

（３）用于数据交换，包括 单片机 接口、ｔｏｄ、同步信息、控制状态参数数据接口等。

（４）完成大量运算。一般电台在ｆｈ工作方式时，每跳都需要计算ｔｏｄ、工作频率、接收或发送数据的重新组织。

（５）通过足够的ｉ／ｏ口来提供多种控制状态线，以供电台及模块内部使用。

（６）通过片内大量数据来存储区存取运算过程中产生的大量中间数据。

３　设计思路

根据电台ｆｈ信号处理模块对 单片机 的要求，如果选用８９ｃ５ｘ系列单片机，不但在实现功能上比较困难（如运算速度、ｉ／ｏ口数量等），而且所需的外围扩展电路也必须增加（如ｒａｍ，通信口等）。而选用ａｔｍｅｇａ１０３单片机则能较好地满足设计要求，因此，本设计选用ａｔｍｅｇａ１０３单片机来实现信号处理模块的功能。图１所示是其硬件原理图。

此外，在实际使用中，还需注意软件设计。为了便于调试、维护及功能扩展，该系统采用模块化程序设计方案；而且考虑到软件的可靠性，还增加了容错和冗余设计；同时，针对数据接口多的特点，程序中还设计了简明、通用性的接口通信协议。

４　ａｔｍｅｇａ１０３的ｓｐｉ在ｆｈ中的应用

由上述描述可知，ｓｐｉ在设计中占有重要的地位，模块内部的主要控制和数据交换都由其完成，下面详细介绍ｓｐｉ在模块中的设计方法。

４．１ ｓｐｉ的工作原理

ａｔｍｅｇａ１０３和外设之间可通过ｓｐｉ进行高速同步数据传输。主从ｃｐｕ的ｓｐｉ连接见图２所示。其中，ｓｃｋ为主机的时钟输出和从机的时钟输入。把数据写入主机ｓｐｉ数据寄存器的操作将启动ｓｐｉ时钟产生器，此时，数据将从主机的ｍｏｓｉ移出，并从从机的ｍｏｓｉ移入，移完一个字节后，ｓｐｉ时钟停止，并设置发送结束标志。此时如果ｓｐｃｒ的ｓｐｉｅ（ｓｐｉ中断使能）置位，则引发中断。选择某器件为从机时，可将从机选择输入端ｓｓ拉低。主从机的移位寄存器可以看成是一个分布式的１６ 位循环移位寄存器。当数据从主机移向从机的同时，数据也将从从机移向主机，从而在移位过程中实现主从机的数据交换。

ｓｐｉ的主要寄存器包括控制寄存器ｓｐｃｒ、状态寄存器ｓｐｓｒ、数据寄存器ｓｐｄｒ。其中ｓｐｃｒ用于设置ｓｐｉ的中断使能、数据传输顺序、主从机选择、时钟相位和时钟速率等；ｓｐｓｒ为ｓｐｉ中断标志，用于标志写冲突。ｓｐｄｒ寄存器用于在寄存器文件和ｓｐｉ移位寄存器之间传递数据。写该寄存器时，将先对数据传送进行初始化，读该寄存器时，读到的将是移位寄存器接收缓冲区的值。

４．２ ｓｐｉ的程序设计

在该ｆｈ信号处理模块中， 单片机 通过ｓｐｉ与ｆｐｇａ交换数据。ｆｐｇａ选用ｘｉｎｌｉｘ公司的ｘｃｖ１００。下面具体介绍几个主要的子程序：

（１）ｓｐｉ的初始化

程序在复位时，通常都要对ｓｐｉ口进行初始化。 单片机 设置若为主机。ｓｐｉ的数据顺序为ｌｓｂ低位在前。ｓｃｋ时钟空闲时为低电平，在ｓｃｋ的下降沿采样数据；时钟为系统时钟的１／１２８。那么，具体的初始化程序如下：

ｒｅｓｅｔ:ｌｄｉ ｒｘ,＄０

ｏｕｔ ｓｐｓｒ,ｒｘ ;清ｓｐｉ中断标志，写冲突标志

ｌｄｉ ｒｘ,＄０ｆ７;

ｏｕｔ ｓｐｃｒ, ｒｘ ;设置ｓｐｉ的传输参数

（２） ｓｐｉ的发送程序

单片机 每次需要把１０ｂｙｔｅ的相关码送给ｆｐｇａ，因此应将ｓｒａｍ区的＄０９ｃ２－＄０９ｄｆ段设定为ｓｐｉ的数据缓冲区，然后由ｓｐｉ从该缓冲区中取数据直到发送完毕。ｓｐｉ的发送函数如下：

ｓｐｉ_ｓｅｎｄ:ｌｄｉ ｘｈ,＄９

ｌｄｉ ｘｌ,＄０ｃ２;

ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ ;将ｓｐｉ缓冲区的输出地址设为＄ｃ２

ｌｄｉ ｒｙ, １０ ;将１０ｂｙｔｅ相关码存入＄９ｃ２开始的地址

ｓ６７_２: ｌｄ ｒｘ, ｙ＋ ;ｙ为相关码存放的地址

ｓｔ ｘ＋, ｒｘ

ｓ６７_３: ｄｅｃ ｒｙ

ｂｒｎｅ ｓ６７_２

ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｉ,ｘｌ ;将ｓｐｉ缓冲区的输入地址存入ｓｐｉｆｉｆｏｉ

ｌｄｉ ｒｘ,＄０ａａ ;将发相关码的标志＄ａａ通过ｓｐｉ

ｏｕｔ ｓｐｄｒ,ｒｘ ;送给ｆｐｇａ

ｓｅｉ ;开中断

ｒｅｔ

（３） ｓｐｉ的中断程序

每次ｓｐｉ发送完一字节，都要产生一个中断，以使程序跳转到ｓｐｉ的中断程序。由于ｓｐｉ主从机的移位寄存器可以看成是一个分布式的１６ 位循环移位寄存器，而且在当数据从主机移向从机的同时，数据也从从机移向主机，故在中断程序中，应首先判断ｓｐｄｒ中的数据是否是需要接收的数据（相关值），然后判断ｓｐｉ缓冲区中的数据（相关码）是否发完，如没有，则继续发送，直到发完为止。具体程序如下：

ｓｐｉ_ｉｎｔ:ｐｕｓｈ ｘｌ ;保存寄存器的值

ｐｕｓｈ ｘｈ

ｉｎ ｘｌ,ｓｒｅｇ

ｐｕｓｈ ｘｌ

ｌｄｓ ｘｌ, ｒｃｏｒｍａｒｋ ;判断是否为有效数据，“０”为有效

ｂｒｎｅ ｓｐｉ_２ 不等于０，跳

ｉｎ ｘｌ, ｓｐｄｒ

ｓｔｓ ｉｎｃｏｒｂｕｆ, ｘｌ ;将相关值存入ｉｎｃｏｒｂｕｆ

ｓｐｉ_２: ｌｄｓ ｘｌ, ｓｐｉｆｉｆｏｏ ;比较缓冲区的输入，输出指针

ｌｄｓ ｓｐｒｘ, ｓｐｉｆｉｆｏｉ

ｃｐ ｘｌ. ｓｐｒｘ ;

ｂｒｅｑ ｓｐｉｅｎｄ ;相等，则数据发完，跳

ｌｄｉ ｘｈ,＄９ ;不等，则取下一个字节送入ｓｐｄｒ

ｌｄ ｓｐｒｘ, ｘ＋

ｏｕｔ ｓｐｄｒ, ｓｐｒｘ

ｃｐｉ ｘｌ, ＄０ｅ０ ;调整ｓｐｉｆｉｆｏｏ指针

ｂｒｌｏ ｓｐｉ_０ ;未超过缓冲区范围，跳

ｌｄｉ ｘｌ, ＄０ｃ２ ;超过，将缓冲区开始地

址给ｓｐｉｆｉｆｏｏ

ｓｐｉ_０: ｓｔｓ ｓｐｉｆｉｆｏｏ,ｘｌ;

ｓｐｉｅｎｄ:ｐｏｐ ｘｌ

ｏｕｔ ｓｒｅｇ,ｘｌ

ｐｏｐ ｘｈ

ｐｏｐ ｘｌ

ｒｅｔｉ

５　结束语

本设计方案已通过软硬件调试，结果表明：ａｔ-ｍｅｇａ１０３ 单片机 较８９ｃ５ｘ系列单片机在资源和功能上都有很大的提高，不但控制更加简单、灵活，而且能够节省不少外围电路，因此具有成本和体积上的优势，可完全满足跳频信号处理模块的功能要求。