μC／OS-II基礎上實現的無紙傳真收發系統

　　摘要：對T．30協議和T．4協議進行了深入的研究，設計出了可靠的傳真收發流程。設計的傳真數據解析樹對數據進行解析。在μC／OS-II操作系統下實現了無紙傳真收發。該系統對資源要求低，能夠在低端嵌入式硬件上運行，支持的zui高傳輸速率為14400bps。用戶可以將該系統視作一個傳真機功能模塊，嵌入到諸如之類的設備中。以較低的成本集成傳真功能，也可以作為獨立系統應用于移動辦公場合。
　　
　　引言
　　
　　隨著Internet的高速發展，通信工具日益更新，傳真憑借其具有憑證確認、快速、方便等特點，是企業*的通信工具。傳統硬件傳真機存在很多問題，影響了企業使用傳真機的成本和效率。很多企業已經放棄使用傳統傳真機，或是尋找替代產品。無紙傳真系統正是針對企業的這種需求應運而生的。其實質是電子化收發傳真。無紙化傳真系統啟動后，在無人參與條件下可自動可靠地運行，減少多余的環節，縮短信息的傳遞時間，使傳真盡快得到處理。同時，增強了傳真的保密性。電子化過程可以節省大量資源，包括人力、紙張、打印、通信費用、維護費用等，從而減少成本。目前無紙化傳真系統對企業的重要作用已經逐步顯現，使用也越來越廣泛。
　　
　　1、傳真協議介紹
　　
　　T．30協議為PSTN網上的傳真傳輸協議與規程，是標準傳真。它對3類傳真機在普通網上的通信流程、所采用的信號格式、控制信令以及糾錯方式都作了詳細的描述和規定。該協議規定了8種可能的操作方式，每種操作方式均可用5個獨立而又連貫的階段來描述：呼叫建立
　　
　　階段、報文傳輸前標識和選擇所需性能的過程、報文傳輸階段、報文后處理階段和呼叫釋放階段。其中傳真報文的傳輸將按照T4協議中所描述的調制方式進行。
　　
　　T4是ITU—T制定的傳真協議。該協議用于3類傳真終端文件傳輸的標準化協議。它定義了黑白文件和彩色文件在普通交換網，租用電路以及ISDN進行三類傳真的各種特性，包括編碼、線掃描等定義。
　　
　　2、μC／OS-lI操作系統介紹
　　
　　μC／OS-II是一種公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統。μC／OS-II大部分代碼是用C語言編寫的。CPU硬件相關部分是用匯編語言編寫的。總量約200行的匯編語言部分被壓縮到zui低限度，為的是便于移植到其他的CPU上。用戶只要有標準的ANSI的C交叉編譯器、匯編器、連接器等軟件工具，就可以將μC／OS-II嵌入到開發的產品中。μC／OS-II具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點。zui小內核可編譯至2KB。μC／OS-II操作系統已經移植到了大部分的CPU上。
　　
　　3、傳真數據處理的算法設計
　　
　　收到傳真數據后，往往需要對數據進行解析，比如生成tiff文件、格式轉換、錯誤統計等。由前文所述，T．4協議中規定了傳真數據采用前綴編碼，所以本文采用霍夫曼樹進行數據解析。
　　
　　霍夫曼算法一般用于數據壓縮，基本思想是根據數據的統計頻度，生成一種帶權路徑長度zui短的二叉樹。從根節點到葉子節點所經歷的路徑即代表該葉子節點的編碼。本文采用了這種思想對傳真數據進行解析，比如N的編碼為0001，該編碼為前綴編碼，每個碼字之間不會出現混淆。霍夫曼二叉樹如圖1所示。　　
　　基于霍夫曼樹的思想，將T．4協議中對傳真掃描點的編碼構建成一顆帶權二叉樹，如圖2所示。
　　
　　其中每一個葉子節點對應于某一個編碼，首先設置一個游標，用于標識當前位置，其初始位置為根節點，收到傳真數據后，根據數據中的bit位移動游標，可能有以下3種情況：
　　
　　①游標到達某一個葉子節點，但此葉子節點不是EOL，表明收到一個完整的編碼，但1行還沒結束，游標返回到根節點；
　　
　　②游標到達EOL葉子節點，表明1行結束，游標返回根節點；
　　
　　③游標下一步沒有路徑可走，表明數據出錯，此時需要搜尋下一個EOL用于重新同步。
　　
　　4、無紙傳真收發系統設計
　　
　　4．1基本模式
　　
　　按照T．30協議規定，文件傳真在公用交換網上的傳輸操作方法可能有8種組合，如表1所列。本文設計的系統采用的操作方法為4-T，即主叫站與被叫站均為自動操作，主叫站作為傳真的發送方，被叫站作為傳真的接收方。　　
　　4．2硬件框架
　　
　　整個傳真系統的硬件框圖如圖3所示。左側虛線框內模塊和右側的模塊是從交換機的兩根線中分離出來的2個獨立傳真模塊。右側的模塊是普通紙傳真機，為測試左側虛框內模塊的功能而配置的。左側虛線框內4大模塊為無紙傳真模塊。　　
　　無紙傳真模塊中，左側的PC機為輔助設備，利用PC機上的集成開發調試環境IAR和代碼編輯軟件sourceinsight進行源碼編輯與調試，將調試無誤的代碼通過JLINK下載到STM32芯片中。STM32芯片和Modem都是通過USB線與PC機相連來供電。
　　
　　Modem內部包含CX68033芯片，其通過串口與STM32芯片相連，支持標準的AT命令集，使得二者可以交互信令和數據，STM32芯片主要負責任務管理和文件管理，并且通過串口控制Modem。同樣為了便于測試，焊了一根線接出“USB轉串口模塊”來與電腦通信，進而可以利用串口調試助手軟件來輔助測試。
　　
　　4．3總流程設計
　　
　　兩臺傳真機相互通信的規約稱為協議或傳真呼叫時間序列，分為A、B、C、D、E五個階段，如圖4所示。　　
　　（1）階段A：呼叫建立階段
　　
　　這一階段與呼叫建立的過程相似，不同之處在于要發送包含標識發送／接收終端的傳真單音。
　　
　　（2）階段B：報文前處理階段
　　
　　這個處理階段主要進行傳真能力的協商與訓練。完成傳真機功能的鑒別、選送合適的傳輸模式、核對相位、發送線路校驗信號以及可以接收的信號等。
　　
　　過程描述：首先由被叫站發送DIS信號，DIS信號中包含了被叫站傳真機具有的各種兼容性功能信息、傳輸數碼率、掃描線密度和zui小行掃描時間等。當主叫站收到DIS信號后，了解到被叫站傳真機的功能，再根據本站傳真機的功能和操作人員事先安排的指令，發出DCS信號，DCS信號是數字接收指令，由發送方進行發送，要求接收方是接收傳真。該指令還了接收傳真機的工作方式、傳輸數碼率、掃描線密度、稿件寬度以及zui小行掃描時間等。被叫站接收到DCS信號后，按命令選擇合適的工作模式，這時，主叫站發出線路校驗信號TCF。TCF信號是一個持續時間為1．5s的0序列，它用于校驗信道在這個數碼率下可接受的程度。當被叫站收到這個線路校驗信號之后認為合格，就發送CFR信號，CFR信號標志全部報文前處理過程已經結束。當主叫站收到CFR信號，就可以發送稿件。
　　
　　（3）階段C：報文傳輸過程
　　
　　按照T．4規程傳輸傳真報文，并進行報文傳輸控制，包括報文同步、誤碼檢測和糾錯、線路監測等。
　　
　　（4）階段D：報文后處理階段
　　
　　這個處理階段主要提供報文的證實、報文結束、多頁續發等控制操作。當發送方發完稿件后，將出現若干不同的情況，如是否還要繼續向接收方發送稿件，如果需要發送，是繼續發送還是重新進行報文前處理后再發送，是否暫時中斷進行通話后再發送等。為了滿足上述要求，發送方共設置6種主要的傳真控制字段分別對應6種指令。當接收方收到這6種指令中的一種后，就會發出響應信號，這些指令和響應只有傳真控制字段，而無傳真信息字段。
　　
　　（5）階段E：呼叫釋放階段
　　
　　呼叫釋放發生在某一特定的條件下，當zui后一頁稿件發送完畢后，進行zui后一個信息處理，發送EOP信號，在EOP信號之后，過程轉入階段E，呼叫釋放，切斷接續，電路由傳真狀態返回到狀態。
　　
　　圖5是單頁傳真正常傳輸的一個實例，便于傳真流程的理解。　　
　　4．4功能模塊設計
　　
　　本設計自底向上包括如下3個功能模塊，如圖6所示。底層串口模塊、中層數據緩沖區模塊和上層傳真模塊。各個模塊由μC／OS-II負責管理，其中底層串口模塊包含了所有基于串口的基本操作，包括讀串口和寫串口等；中層數據緩沖區模塊做了大量的細節性數據處理工作；上層傳真模塊封裝了發送傳真和接收傳真的基本功能。　　
　　4．4．1底層串口模塊
　　
　　底層串口模塊的代表性函數包括如下3個。
　　
　　①voidRxInterrupt_Handler（）；
　　
　　功能說明：modem每次接收到數據后都會發生中斷，跳入此函數。通過mdm_append_data函數將串口收到的新數據添加到接收緩沖區。
　　
　　②voidUSART1_SendByre（INT16Ubyte）；
　　
　　功能說明：直接向串口中發送一個字節，并等待完成。
　　
　　③voidUSART1SendData（INT8U*data，INT16Slen）；
　　
　　功能說明：直接向串口寫數據并等待完成，數據長度不限。它被_send_cmd函數和_send_frame函數多次調用。
　　
　　4．4．2中層數據緩沖區模塊
　　
　　本模塊采用隊列來管理數據，如圖7所示。底層串口模塊收到數據后，將數據存入隊尾緩存，上層傳真模塊從隊頭取出數據進行處理，這種方式使得程序不必關心串口接收數據的方式，一定程度上減小了程序的耦合性。　　
　　隊列的數據結構定義如下：　　
　　本模塊提供了以下接口函數，供上層傳真機模塊調用。
　　
　　①voidmdm_init_buffer（）；
　　
　　功能說明：本函數用于初始化緩沖區，一般在程序啟動時調用。
　　
　　②char*mdm_get_line（inttimeout）；
　　
　　功能說明：在timeout規定的時間里面，等待并讀取一行數據（以／r／n結尾），如果超時則返回NULL。
　　
　　③intmdm_get_byte（char*byte，inttimeout）；
　　
　　功能說明：在timeout規定的時間里，等待并讀取一個字節的數據，如果有數據則返回1，如果超時則返回0。
　　
　　④intmdm_get_byte_count（）；
　　
　　功能說明：獲取當前緩沖區內的數據量，單位為字節。
　　
　　⑤voidmdm_clear_buffer（）；
　　
　　功能說明：清空緩沖區的數據。
　　
　　⑥voidmdm_append_data（chardata）；
　　
　　功能說明：向緩沖區隊尾添加一個數據，該函數在串口接收中斷中被調用。
　　
　　4．4．3上層傳真模塊
　　
　　上層傳真模塊分為發送傳真接口和接收傳真接口兩大部分，其中發送部分為1個集成的函數，而接收部分為3個按時序相接的功能分支。
　　
　　（1）發送傳真接口
　　
　　原型說明：im_send（char*num，char*page[]）；
　　
　　功能說明：發送傳真，對端的傳真號為num，傳真文件通過page變量傳入，結尾以NULL指針或空字符串結尾。
　　
　　（2）接收傳真接口
　　
　　①int_ringing（）；
　　
　　功能說明：循環檢測并接收響鈴，只有接通了，才會跳出循環。該函數可以在一個task里面調用，進行傳真監聽，當收到“RING”時，退出函數，等待應答。
　　
　　②int_answer_and_connect（）；
　　
　　功能說明：傳真應答與連接。該函數一般在收到“RING”時調用。當連接成功后，即可接收傳真。
　　
　　③int_receive（int*pagenum，char*dir）；
　　
　　功能說明：接收傳真，收到的傳真頁數為pagenum，保存地址為dir。只有當連接成功后才能調用該函數。
　　
　　4．5傳真接口調用示例

　　
　　5、結語
　　
　　本文對無紙傳真進行了研究，在該研究的基礎上開發出一套實用的系統，其擴展性強，具有很好的移植性。一般的傳真機于紙質文件的傳輸，而本系統則輔助實現了紙質文件與電子版文件的轉化傳輸。本系統存在的意義在于，用戶可以將此傳真模塊作為一個獨立功能單元集成到其他產品中，以較低的成本來增加產品的功能。