μC/OS-II基础上实现的无纸传真收发系统[图]

摘要：对T.30协议和T.4协议进行了深入的研究，设计出了可靠的传真收发流程。设计的传真数据解析树对数据进行解析。在μC/OS-II操作系统下实现了无纸传真收发。该系统对资源要求低，能够在低端嵌入式硬件上运行，支持的最高传输速率为14400bps。用户可以将该系统视作一个传真机功能模块，嵌入到诸如可视电话之类的设备中。以较低的成本集成传真功能，也可以作为独立系统应用于移动办公场合。

   引言
   随着Internet的高速发展，通信工具日益更新，传真凭借其具有凭证确认、快速、方便等特点，是企业不可或缺的通信工具。传统硬件传真机存在很多问题，影响了企业使用传真机的成本和效率。很多企业已经放弃使用传统传真机，或是寻找替代产品。无纸传真系统正是针对企业的这种需求应运而生的。其实质是电子化收发传真。无纸化传真系统启动后，在无人参与条件下可自动可靠地运行，减少多余的环节，缩短信息的传递时间，使传真尽快得到处理。同时，增强了传真的保密性。电子化过程可以节省大量资源，包括人力、纸张、打印、通信费用、维护费用等，从而减少成本。目前无纸化传真系统对企业的重要作用已经逐步显现，使用也越来越广泛。
   1 传真协议介绍
   T.30协议为PSTN网上的传真传输协议与规程，是标准传真。它对3类传真机在普通电话网上的通信流程、所采用的信号格式、控制信令以及纠错方式都作了详细的描述和规定。该协议规定了8种可能的操作方式，每种操作方式均可用5个独立而又连贯的阶段来描述：呼叫建立阶段、报文传输前标识和选择所需性能的过程、报文传输阶段、报文后处理阶段和呼叫释放阶段。其中传真报文的传输将按照T4协议中所描述的调制方式进行。
   T4是ITU-T制定的传真协议。该协议用于3类传真终端文件传输的标准化协议。它定义了黑白文件和彩色文件在普通电话交换网，国际租用电路以及ISDN进行三类传真的各种特性，包括编码、线扫描等定义。
   2 μC/OS-lI操作系统介绍
   μC/OS-II是一种公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。μC/OS-II大部分代码是用C语言编写的。CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的。总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到其他的CPU上。用户只要有标准的ANSI的C交叉编译器、汇编器、连接器等软件工具，就可以将μC/OS-II嵌入到开发的产品中。μC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。最小内核可编译至2KB。μC/OS-II操作系统已经移植到了大部分知名的CPU上。
   3 传真数据处理的算法设计
   收到传真数据后，往往需要对数据进行解析，比如生成tiff文件、格式转换、错误统计等。由前文所述，T.4协议中规定了传真数据采用前缀编码，所以本文采用霍夫曼树进行数据解析。
   霍夫曼算法一般用于数据压缩，基本思想是根据数据的统计频度，生成一种带权路径长度最短的二叉树。从根节点到叶子节点所经历的路径即代表该叶子节点的编码。本文采用了这种思想对传真数据进行解析，比如N的编码为0001，该编码为前缀编码，每个码字之间不会出现混淆。霍夫曼二叉树如图1所示。
   
   基于霍夫曼树的思想，将T.4协议中对传真扫描点的编码构建成一颗带权二叉树，如图2所示。
   其中每一个叶子节点对应于某一个编码，首先设置一个游标，用于标识当前位置，其初始位置为根节点，收到传真数据后，根据数据中的bit位移动游标，可能有以下3种情况：
   ①游标到达某一个叶子节点，但此叶子节点不是EOL，表明收到一个完整的编码，但1行还没结束，游标返回到根节点；
      ②游标到达EOL叶子节点，表明1行结束，游标返回根节点；
      ③游标下一步没有路径可走，表明数据出错，此时需要搜寻下一个EOL用于重新同步。
   4 无纸传真收发系统设计
   4.1 基本模式
   按照T.30协议规定，文件传真在公用电话交换网上的传输操作方法可能有8种组合，如表1所列。本文设计的系统采用的操作方法为4-T，即主叫站与被叫站均为自动操作，主叫站作为传真的发送方，被叫站作为传真的接收方。
   
   4.2 硬件框架
   整个传真系统的硬件框图如图3所示。左侧虚线框内模块和右侧的FAX模块是从交换机的两根电话线中分离出来的2个独立传真模块。右侧的FAX模块是普通纸传真机，为测试左侧虚框内模块的功能而配置的。左侧虚线框内4大模块为无纸传真模块。
   
   无纸传真模块中，左侧的PC机为辅助设备，利用PC机上的集成开发调试环境IAR和代码编辑软件sourceinsight进行源码编辑与调试，将调试无误的代码通过JLINK下载到STM32芯片中。STM32芯片和Fax Modem都是通过USB线与PC机相连来供电。
   Fax Modem内部包含CX68033芯片，其通过串口与STM32芯片相连，支持标准的AT命令集，使得二者可以交互信令和数据，STM32芯片主要负责任务管理和文件管理，并且通过串口控制Fax Modem。同样为了便于测试，焊了一根线接出“USB转串口模块”来与电脑通信，进而可以利用串口调试助手软件来辅助测试。
   4.3 总流程设计
   两台传真机相互通信的规约称为协议或传真呼叫时间序列，分为A、B、C、D、E五个阶段，如图4所示。
   
   (1)阶段A：呼叫建立阶段
   这一阶段与电话呼叫建立的过程相似，不同之处在于要发送包含标识发送/接收终端的传真单音。
   (2)阶段B：报文前处理阶段
   这个处理阶段主要进行传真能力的协商与训练。完成传真机功能的鉴别、选送合适的传输模式、核对相位、发送线路校验信号以及可以接收的信号等。
   过程描述：首先由被叫站发送DIS信号，DIS信号中包含了被叫站传真机具有的各种兼容性功能信息、传输数码率、扫描线密度和最小行扫描时间等。当主叫站收到DIS信号后，了解到被叫站传真机的功能，再根据本站传真机的功能和操作人员事先安排的指令，发出DCS信号，DCS信号是数字接收指令，由发送方进行发送，要求接收方是接收传真。该指令还指定了接收传真机的工作方式、传输数码率、扫描线密度、稿件宽度以及最小行扫描时间等。被叫站接收到DCS信号后，按命令选择合适的工作模式，这时，主叫站发出线路校验信号TCF。TCF信号是一个持续时间为1.5s的0序列，它用于校验信道在这个数码率下可接受的程度。当被叫站收到这个线路校验信号之后认为合格，就发送CFR信号，CFR信号标志全部报文前处理过程已经结束。当主叫站收到CFR信号，就可以发送稿件。
   (3)阶段C：报文传输过程
   按照T.4规程传输传真报文，并进行报文传输控制，包括报文同步、误码检测和纠错、线路监测等。
   (4)阶段D：报文后处理阶段
   这个处理阶段主要提供报文的证实、报文结束、多页续发等控制操作。当发送方发完稿件后，将出现若干不同的情况，如是否还要继续向接收方发送稿件，如果需要发送，是继续发送还是重新进行报文前处理后再发送，是否暂时中断进行通话后再发送等。为了满足上述要求，发送方共设置6种主要的传真控制字段分别对应6种指令。当接收方收到这6种指令中的一种后，就会发出响应信号，这些指令和响应只有传真控制字段，而无传真信息字段。
   (5)阶段E：呼叫释放阶段
   呼叫释放发生在某一特定的条件下，当最后一页稿件发送完毕后，进行最后一个信息处理，发送EOP信号，在EOP信号之后，过程转入阶段E，呼叫释放，切断接续，电路由传真状态返回到电话状态。
   图5是单页传真正常传输的一个实例，便于传真流程的理解。
   
   4.4 功能模块设计
   本设计自底向上包括如下3个功能模块，如图6所示。底层串口模块、中层数据缓冲区模块和上层传真模块。各个模块由μC/OS-II负责管理，其中底层串口模块包含了所有基于串口的基本操作，包括读串口和写串口等；中层数据缓冲区模块做了大量的细节性数据处理工作；上层传真模块封装了发送传真和接收传真的基本功能。
   
   4.4.1 底层串口模块
   底层串口模块的代表性函数包括如下3个。
   ①void RxInterrupt_Handler()；
      功能说明：fax modem每次接收到数据后都会发生中断，跳入此函数。通过mdm_append_data函数将串口收到的新数据添加到接收缓冲区。
   ②void USART1_SendByre(INT16U byte)；
      功能说明：直接向串口中发送一个字节，并等待完成。
   ③void USART1 SendData(INT8U*data，INT16S len)；
      功能说明：直接向串口写数据并等待完成，数据长度不限。它被fax_send_cmd函数和fax_send_frame函数多次调用。
   4.4.2 中层数据缓冲区模块
   本模块采用队列来管理数据，如图7所示。底层串口模块收到数据后，将数据存入队尾缓存，上层传真模块从队头取出数据进行处理，这种方式使得程序不必关心串口接收数据的方式，一定程度上减小了程序的耦合性。
   
   队列的数据结构定义如下：
   
   本模块提供了以下接口函数，供上层传真机模块调用。
   ①void mdm_init_buffer()；
      功能说明：本函数用于初始化缓冲区，一般在程序启动时调用。
   ②char*mdm_get_line(int timeout)；
      功能说明：在timeout规定的时间里面，等待并读取一行数据(以/r/n结尾)，如果超时则返回NULL。
   ③int mdm_get_byte(char*byte，int timeout)；
      功能说明：在timeout规定的时间里，等待并读取一个字节的数据，如果有数据则返回1，如果超时则返回0。
   ④int mdm_get_byte_count()；
      功能说明：获取当前缓冲区内的数据量，单位为字节。
   ⑤void mdm_clear_buffer()；
      功能说明：清空缓冲区的数据。
   ⑥void mdm_append_data(char data)；
      功能说明：向缓冲区队尾添加一个数据，该函数在串口接收中断中被调用。
   4.4.3 上层传真模块
   上层传真模块分为发送传真接口和接收传真接口两大部分，其中发送部分为1个集成的函数，而接收部分为3个按时序相接的功能分支。
   (1)发送传真接口
   原型说明：im fax_send(char*num，char*page[])；
      功能说明：发送传真，对端的传真号为num，传真文件通过page变量传入，结尾以NULL指针或空字符串结尾。
   (2)接收传真接口
   ①int faX_ringing()；
      功能说明：循环检测并接收响铃，只有接通了，才会跳出循环。该函数可以在一个task里面调用，进行传真监听，当收到“RING”时，退出函数，等待应答。
   ②int fax_answer_and_connect()；
      功能说明：传真应答与连接。该函数一般在收到“RING”时调用。当连接成功后，即可接收传真。
   ③int fax_receive(int*pagenum，char*dir)；
      功能说明：接收传真，收到的传真页数为pagenum，保存地址为dir。只有当连接成功后才能调用该函数。
   4.5 传真接口调用示例
   
   结语
   本文对无纸传真进行了研究，在该研究的基础上开发出一套实用的系统，其扩展性强，具有很好的移植性。一般的传真机仅限于纸质文件的传输，而本系统则辅助实现了纸质文件与电子版文件的转化传输。本系统存在的意义在于，用户可以将此传真模块作为一个独立功能单元集成到其他产品中，以较低的成本来增加产品的功能。
   作者：张聪敏 刘军 刘福良 游向东   来源：单片机与嵌入式系统