基于Nios II設(shè)計的雙網(wǎng)傳真機系統(tǒng)的研究與開發(fā)

基于Nios-II設(shè)計和實現(xiàn)了支持PSTN網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)的雙網(wǎng)傳真機系統(tǒng)，利用FPGA實現(xiàn)了傳真機系統(tǒng)的多個電路模塊，包括A/D采樣控制邏輯、二值化圖像處理模塊、MH編碼模塊、MH譯碼模塊和CIS掃描、TPH打印、電機控制模塊?；讦藽/OS-II、Niche TCP/IP實現(xiàn)了T30協(xié)議通信、非實時網(wǎng)絡(luò)傳真通信、Tiff文件創(chuàng)建、Tiff文件解析模塊。使用Altera Cyclone EP1C20開發(fā)板實現(xiàn)和驗證了整機系統(tǒng)，經(jīng)過軟硬件聯(lián)調(diào)，達到了系統(tǒng)設(shè)計指標和功能。
關(guān)鍵詞： 雙網(wǎng)傳真機；Nios II；半色調(diào)圖像處理；MHC；μC/OS-II；TCP/IP；多任務(wù)

??? 雙網(wǎng)傳真機是指可以接入Internet網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)中進行發(fā)送和接收文字、圖像、圖文稿件的傳真機。由于Internet技術(shù)的發(fā)展，Internet以其方便性、價格低廉等特點在當今通信中占有重要地位。普通傳真機通過PSTN網(wǎng)絡(luò)進行傳真，發(fā)送和接收耗時，速度慢，而且費用比較昂貴。本文設(shè)計和開發(fā)的雙網(wǎng)傳真機不僅可以兼容普通傳真機，而且可以使用Internet網(wǎng)絡(luò)進行收發(fā)傳真，具有速度快、費用低廉的特點。
1 雙網(wǎng)傳真機接入網(wǎng)絡(luò)
?? ?本文設(shè)計的雙網(wǎng)傳真機接入Internet和傳真服務(wù)器進行通信，通信協(xié)議是非實時傳真標準協(xié)議，通過該傳真服務(wù)器中轉(zhuǎn)將傳真推送到目標傳真機，根據(jù)目標傳真機是雙網(wǎng)傳真機還是普通傳真機，選擇對應(yīng)的Internet網(wǎng)絡(luò)、PSTN網(wǎng)絡(luò)進行推送。接入PSTN網(wǎng)絡(luò)和目標傳真機通過T30[1]協(xié)議進行通信。通過Internet發(fā)送，在掃描稿件時將稿件數(shù)據(jù)和信息封裝成Tiff文件的形式，通過非實時傳真標準協(xié)議將文件發(fā)送到傳真服務(wù)器，傳真服務(wù)器判斷該傳真是發(fā)往普通傳真機還是雙網(wǎng)傳真機。如果發(fā)往普通傳真機，服務(wù)器會解析Tiff文件并將解析出的傳真編碼數(shù)據(jù)發(fā)往普通傳真機；如果發(fā)往雙網(wǎng)數(shù)字傳真機，則將該tiff文件放到用戶目錄中，等待雙網(wǎng)傳真機自動或者手動收取。其在整個雙網(wǎng)傳真系統(tǒng)中的位置如圖1所示。

2 雙網(wǎng)傳真機系統(tǒng)設(shè)計
?? ?本文設(shè)計的雙網(wǎng)傳真機以Nios II嵌入式軟核為處理器，采用SoPC[2]的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法進行設(shè)計，以求最佳的性能價格比。SoPC技術(shù)硬件用Altera公司的FPGA技術(shù)來實現(xiàn)，軟件用C語言編程實現(xiàn)，操作系統(tǒng)平臺采用實時操作系統(tǒng)內(nèi)核μC/OS-II、TCP/IP協(xié)議棧使用Niche TCP/IP協(xié)議棧。以Altera Cyclone EP1C20為實驗板進行系統(tǒng)實現(xiàn)和驗證。
?? ?根據(jù)對傳真機功能和性能的分析，提出將耗時、算法復雜、數(shù)據(jù)處理量大的模塊用電路實現(xiàn)，需要提供精確的時序信號邏輯也用電路實現(xiàn)，而對時間要求不苛刻的場合、CPU處理速度能跟上的功能模塊用軟件來實現(xiàn)。同時盡量利用可以利用的軟硬件模塊單元，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少重復設(shè)計，縮短開發(fā)周期。系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

?? ?系統(tǒng)開發(fā)工具采用Altera公司提供的Quartus II和Nios II IDE。在Quartus II軟件內(nèi)，使用SoPC Builder開發(fā)硬件模塊，形成硬件設(shè)計文件和自定義軟件開發(fā)環(huán)境。Nios II IDE是基于GNU C/C++編譯器和Eclipse IDE的，設(shè)計者可以很快開發(fā)、調(diào)試和仿真Nios II系統(tǒng)，開發(fā)模塊驅(qū)動程序、板級支持包（BSP）及用戶程序。
2.1 雙網(wǎng)數(shù)字傳真機系統(tǒng)硬件設(shè)計
?? ?本文設(shè)計的雙網(wǎng)數(shù)字傳真機以Altera Nios II軟核為處理器、CIS掃描器件、電機、TPH打印器件、CIS、電機、TPH打印驅(qū)動板、Alter EP1C20開發(fā)板、Modem為硬件平臺，通過Altera的FPGA實現(xiàn)硬件電路模塊，主要需要實現(xiàn)的電路模塊有A/D采樣控制邏輯模塊、圖像二值化處理模塊、MH[3]編碼模塊、MH譯碼模塊、掃描、打印、電機時序驅(qū)動邏輯模塊。
?? ?(1)A/D采樣控制邏輯模塊
?? ?通過CIS掃描器件把原稿的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，將CIS掃描器件獲得的模擬電信號通過A/D轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)化為8 bit的數(shù)字信號輸入圖像處理二值化模塊。A/D采樣控制邏輯完成A/D器件的時序驅(qū)動。
?? ?(2)圖像二值化處理模塊
??? 本模塊輸入數(shù)據(jù)為A/D轉(zhuǎn)化后的每像素8 bit數(shù)據(jù)，根據(jù)掃描原有文本、灰度圖像、圖文并茂3種類型自動判別選用不同的算法，進行偽灰度處理，即根據(jù)抖動表(Dither)進行二值化處理，得到人眼感覺有層次(灰度變化)的二值圖像，即半色調(diào)圖像(Halftone)?；叶戎祱D像轉(zhuǎn)化為二值圖像的算法原理是：通過實際的中間色調(diào)信號與存儲在ROM中的閾值信號比較形成二值圖像信號。

??? 一般傳真機采用的抖動表數(shù)據(jù)是8×8的Bayes矩陣，在實驗中采用該方法處理得到的效果并不理想，圖像對比度不是很強烈，整體效果較暗。因此作者根據(jù)FPGA硬件處理的特性，采用16×16的抖動矩陣對傳真圖像進行處理。采用該方法適應(yīng)了FPGA 芯片擁有豐富寄存器資源的特點，用來存儲改進抖動表，在不影響處理速度的情況下，明顯改進圖像的處理效果，提高圖像對比度，圖像效果比較接近原圖。從得出的效果圖可以明顯看出，改進方案比原有Bayer抖動表做抖動的圖像對比度要好得多，代價為增加了一千多位寄存器。從而較好地解決了對圖像二值化處理中對比度不強的問題。
?? ?(3)編碼模塊
?? ?將二值化后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)一維MH編碼后交付通信模塊使用。MH編碼是一維改進的Huffman編碼，是ITU-T T.4[4]標準中的一部分，ITU-T T.4標準的全稱是三類傳真機終端文檔傳輸標準。MH編碼具有效率高、容易擴展等特點。三類傳真機一般都實現(xiàn)了一維MH編碼和譯碼，有的也實現(xiàn)了二維MR編碼，本文用硬件電路實現(xiàn)一維MH編碼。對于二值信源來說，一幅傳真圖像是由掃描線上的像素組成的。而每一掃描線又總是由一些黑像素和白像素組成。將連續(xù)發(fā)生的黑像素為連‘1’，白像素為連‘0’，也稱為黑游程和白游程。連‘1’的個數(shù)稱為黑游程的長度，連‘0’的個數(shù)稱為白游程的長度。黑白游程交替出現(xiàn)。針對游程編碼，哈夫曼MH碼元很好地解決了傳真信源的壓縮問題，是T.30協(xié)議中規(guī)定的編碼方式之一。實現(xiàn)時通過讀取像素信息存儲FIFO判斷是黑游程還是白游程。當發(fā)生了黑白游程切換時，根據(jù)黑白游程計數(shù)形成碼表訪問地址，根據(jù)地址查找碼表得到對應(yīng)的編碼碼元。MHC編碼硬件模塊圖如圖3所示。

??? 該編碼數(shù)據(jù)將封裝在T30協(xié)議中進行傳輸，T30協(xié)議規(guī)定的每樣張的數(shù)據(jù)傳輸格式如圖4所示。其中EOL為End Of Line，即行同步碼，格式為000000000001。同步碼是緊跟在每一行掃描線之后的特殊碼字，它在有效數(shù)據(jù)中不可能出現(xiàn)，因而在突發(fā)錯誤之后能重新建立同步。特殊地，每頁文件的第一個數(shù)據(jù)之前也設(shè)置一個EOL。

?? ?填充碼fill的作用是保證每掃描線，即每一行的數(shù)據(jù)傳輸時間不小于某一規(guī)定時間T，T為發(fā)送一行編碼數(shù)據(jù)所用的最小時間，ITU-T T.4標準建議中規(guī)定T=20 ms，不足20 ms時間應(yīng)加入填充碼，其格式為長度不一的全“0”串。RTC為返回控制碼，其格式為6個連發(fā)的EOL碼，表示一頁文件碼的傳輸結(jié)束。
?? ?在通過Internet進行傳真時需要將MH編碼數(shù)據(jù)封裝在TIFF文件中，封裝成TIFF文件的過程通過軟件模塊實現(xiàn)。
?? ?(4)譯碼模塊
?? ?基于FPGA硬件電路實現(xiàn)圖像MH譯碼模塊，采用快速譯碼策略。在譯碼時，由于碼元不等長且數(shù)據(jù)量較大，構(gòu)造譯碼樹較困難，應(yīng)采用快速譯碼方法?？焖僮g碼算法的基本思想是采取多步合一的方法，一次輸入的不是一個碼元，而是多個碼元。根據(jù)碼表的特點可知，白游程最短碼長是4，黑游程最短碼長是2。由此在譯碼開始時，碼元是以穿行的方式進入譯碼電路，對白游程可以直接讀取4 bit，進入譯碼查找，若非完整編碼再逐位讀??；對黑游程可以直接讀取2 bit，進入譯碼查找，若非完整編碼再逐位讀取。譯碼的具體算法如下：
?? ?①按游程類型讀取對應(yīng)最小編碼長度編碼；
?? ?②在形成碼中進行匹配，若成功，按游程類型繼續(xù)讀取對應(yīng)最小編碼長度編碼，轉(zhuǎn)入③；否則轉(zhuǎn)入④；
?? ?③終結(jié)碼中匹配，失敗則讀取下一位繼續(xù)匹配，直至成功；
?? ?④在終結(jié)碼中進行匹配，匹配成功則跳入①重新開始；否則讀取下一位編碼，轉(zhuǎn)入②。重復以上操作，直到本行結(jié)束；
?? ?(5)掃描、打印、電機驅(qū)動邏輯。
?? ?本硬件模塊采用FPGA實現(xiàn)，主要提供CIS掃描器件、TPH打印器件、電機的驅(qū)動時序信號。
2.2 雙網(wǎng)數(shù)字傳真機軟件設(shè)計
?? ?操作系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)內(nèi)核?滋C/OS-II，硬件抽象層HAL[5]由Nios II開發(fā)工具生成，TCP/IP協(xié)議棧使用移植到μC/OS-II上的Niche TCP/IP協(xié)議棧。Altera EP1C20開發(fā)板含有SMSC LAN91C111-NE MAC/PHY芯片，該芯片完成網(wǎng)絡(luò)中MAC/PHY功能。軟件主要完成系統(tǒng)控制和T30協(xié)議通信過程、非實時傳真通信過程、Tiff[6]文件創(chuàng)建、Tiff文件解析。由于μC/OS-II是多任務(wù)的實時內(nèi)核，故系統(tǒng)劃分和設(shè)計了以下任務(wù)：
?? ?(1)Init任務(wù)：初始化任務(wù)，建立任務(wù)之間的通信量。
?? ?(2)TCP/IP協(xié)議棧任務(wù)：Inet_main任務(wù)，該任務(wù)負責TCP/IP協(xié)議的運行。
?? ?(3)clock tick任務(wù)：系統(tǒng)ticks任務(wù)。
?? ?(4)T30發(fā)送任務(wù)：實現(xiàn)發(fā)送一封傳真的T30通信過程。
?? ?(5)T30接收任務(wù)：實現(xiàn)接收一封傳真的T30通信過程。
?? ?(6)SMTP發(fā)送任務(wù)：通過SMTP命令EHLO、AUTH、RCPT、MAIL、DATA、QUIT和傳真服務(wù)器進行對話，基于SMTP協(xié)議實現(xiàn)非實時傳真通信協(xié)議，即按照服務(wù)器接收的發(fā)送傳真格式發(fā)送一封特殊郵件到服務(wù)器。其中傳真數(shù)據(jù)文件以附件的方式附在這封有固定格式和含義的郵件中，圖像數(shù)據(jù)需要封裝成Tiff文件的形式，附件發(fā)送時需要按照SMTP協(xié)議將數(shù)據(jù)重新編碼為base64格式的編碼數(shù)據(jù)才能進行發(fā)送。該封郵件內(nèi)容固定格式中含有賬號密碼、發(fā)送參數(shù)、發(fā)往目標號碼列表信息等內(nèi)容，是非實時傳真通信協(xié)議中規(guī)定的內(nèi)容。
?? ?(7)POP3接收任務(wù)：通過POP3命令USER、PASS、STAT、RETR、QUIT實現(xiàn)與傳真服務(wù)器的對話，從傳真服務(wù)器收取一封特殊的郵件，該郵件的附件即為傳真圖像數(shù)據(jù)Tiff文件。收取下來的Tiff文件是base64編碼數(shù)據(jù)，首先需要將文件數(shù)據(jù)進行base64解碼還原出Tiff文件。
?? ?(8)Tiff文件解碼任務(wù)：Tiff文件是標簽式文件，按照Tiff文件的格式和對應(yīng)標簽含義解析出Tiff文件的信息和具體的圖像數(shù)據(jù)，然后觸發(fā)MH解碼電路模塊工作并驅(qū)動電機和TPH打印模塊打印黑白像素點。
?? ?(9)創(chuàng)建Tiff文件任務(wù)：根據(jù)Tiff文件信息標簽組建Tiff文件。
?? ?雙網(wǎng)傳真機系統(tǒng)在Altera Cyclone EP1C20實驗板、外加驅(qū)動板、Modem等硬件基礎(chǔ)上開發(fā)成功，通過反復軟硬件調(diào)試，軟硬件運行穩(wěn)定、達到系統(tǒng)功能指標。利用了μC/OS-II能夠穩(wěn)定、安全處理并發(fā)多任務(wù)這一特點，軟件模塊穩(wěn)定運行，體現(xiàn)出較高的實時性和可靠性，取得了較好的實際效果。本系統(tǒng)可以自己設(shè)計和生產(chǎn)帶Altera FPGA芯片的實驗板，集成Ethernet MAC/PHY芯片和Modem芯片等，降低系統(tǒng)成本。同時本系統(tǒng)還可以與PC機聯(lián)網(wǎng)，通過PC機向雙網(wǎng)傳真機發(fā)送文件和接收文件，這樣可以提高工作效率并減少紙張浪費，適合于公司集團用戶作為傳真中轉(zhuǎn)工作機，具有一定的市場應(yīng)用價值。