通過(guò)單片機(jī)的無(wú)線通信軟件實(shí)現(xiàn)編解碼的解決方案介紹

隨著無(wú)線通信芯片技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的便攜式或電池供電的無(wú)線傳輸設(shè)備進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ钪?。例如，遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(RKE)系統(tǒng)、汽車(chē)輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng)(TPMS)、無(wú)線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)等。利用單片機(jī)和無(wú)線數(shù)傳模塊來(lái)完成無(wú)線數(shù)據(jù)通信在石油、電力、水文、冶金等行業(yè)的無(wú)線控制、數(shù)據(jù)采集、報(bào)警諸多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。通常采用的辦法是用單片機(jī)的串行I/ O 口來(lái)完成數(shù)據(jù)通信，但是該方法有許多不足之處:第一、在利用單片機(jī)的串口進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，然而在無(wú)線通信場(chǎng)合，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)極易受到電磁、靜電等的干擾，奇偶校驗(yàn)一般不能檢測(cè)出這類(lèi)干擾所引起的突發(fā)性錯(cuò)誤，所以該方法無(wú)法滿足差錯(cuò)檢測(cè)要求較高的場(chǎng)合;第二、由于單片機(jī)一般采用異步通信方式，接受器通常不能很快的接收到有效數(shù)據(jù)，因而該方法也不能滿足要求多路進(jìn)行快速切換的場(chǎng)合;第三、單片機(jī)的串口通信在傳輸速率和每幀的有效數(shù)據(jù)位數(shù)等方面都受到了嚴(yán)格的限制，缺乏靈活性。本文針對(duì)低速無(wú)線通信的場(chǎng)合，提出了一種通過(guò)單片機(jī)用軟件實(shí)現(xiàn)編解碼的方案，該方案可以有效克服上述單片機(jī)串口通信的不足之處， 在無(wú)線通信中得到了令人滿意的效果。

1 編碼原理及程序流程

1.1 編碼原理

假設(shè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度為12位，以A8BH為例，其幀格式如圖1 所示，高位在先，低位在后。

數(shù)據(jù)的編碼采用了曼徹斯特編碼格式，每幀數(shù)據(jù)由同步頭、有效數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位三部分組成。其中數(shù)據(jù)位“1”由高到低的跳變表示，數(shù)據(jù)位“0”由低到高的跳變表示，而且數(shù)據(jù)位“1”和“0”高低電平周期各為0.5 T(設(shè)T為一個(gè)數(shù)據(jù)位寬度)。根據(jù)曼徹斯特碼的特點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)位都由高低電平組成，因而在連續(xù)傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)位中不會(huì)存在超過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)位寬度的高電平或低電平，因此在每個(gè)數(shù)據(jù)的前面設(shè)一個(gè)同步頭，高低電平各為1.5 T 。這樣在進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)，只要采樣得到的電平滿足1.5T ，則認(rèn)為該電平是同步頭，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。因?yàn)閷ふ彝筋^的時(shí)間最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，所以此編碼方式非常適合于要求多路進(jìn)行快速切換的場(chǎng)合。為了簡(jiǎn)化電路和節(jié)省功耗，本文采用了單極性曼徹斯特碼。

實(shí)現(xiàn)曼徹斯特軟件編碼比較簡(jiǎn)單，根據(jù)曼碼和二進(jìn)制數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)在編碼后將占據(jù)兩位空間。例如1在編碼后變?yōu)?、0；0在編碼后變?yōu)?、1。其中，曼碼數(shù)據(jù)低位在前，高位在后；被編碼的數(shù)據(jù)字節(jié)的高4位編碼后存放在一個(gè)字節(jié)中，低4位編碼后存放在相鄰的下一個(gè)字節(jié)中。

本文采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)，即后四位為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼簡(jiǎn)稱為CRC( CyclicRedundancy Code) 。循環(huán)冗余校驗(yàn)的指導(dǎo)思想是發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流多項(xiàng)式除以生成多項(xiàng)式得到冗余位，接收端將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(包括冗余位) 除以事先確定的生成多項(xiàng)式，如果余數(shù)為零，則認(rèn)為沒(méi)有錯(cuò)誤發(fā)生，不為零則表示有錯(cuò)。由于使用這種方法獲得冗余位具有很強(qiáng)的信息覆蓋能力，它善于發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的錯(cuò)誤，特別是一些突發(fā)性錯(cuò)誤，所以它是一種效率極高的差錯(cuò)校驗(yàn)法 。

根據(jù)CRC 碼的編碼思想,對(duì)(16,12)碼，由x16 + 1確定生成多項(xiàng)式為G(x) = x4 + 1 ，該多項(xiàng)式也可表示成(10001) 。對(duì)被傳輸?shù)?2位數(shù)據(jù)和生成多項(xiàng)式采用模2 運(yùn)算便可以得到每個(gè)數(shù)據(jù)的四位循環(huán)冗余位。

1.2 編碼子程序流程圖及說(shuō)明

曼徹斯特編碼子程序包括計(jì)算冗余位和曼徹斯特編碼發(fā)送兩部分，首先調(diào)用CRC 求余子程序(流程圖略) ，將得到的冗余校驗(yàn)位作為待發(fā)送16 位數(shù)據(jù)的低四位，然后對(duì)該16 位，并通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊調(diào)制成模擬信號(hào)發(fā)射出去(單片機(jī)的TXD 端與無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)的DATA IN 端相連) 。同步頭及數(shù)據(jù)位發(fā)送是通過(guò)對(duì)單片機(jī)的TXD 端( P3. 1) 置“1”和清“0”并進(jìn)行軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。TIME1 和TIME2 為軟件延時(shí)，以滿足同步頭高低電平寬度的要求。值得注意的是，在編寫(xiě)編碼子程序時(shí)，應(yīng)確保P3. 1 置“1”和清“0”時(shí)間間隔滿足數(shù)據(jù)位或同步頭寬度的要求。

2 解碼原理及程序流程

2.1解碼原理

曼徹斯特解碼是編碼的逆過(guò)程，也就是從曼碼數(shù)據(jù)中提取時(shí)鐘，并利用這個(gè)時(shí)鐘還原二進(jìn)制數(shù)據(jù)的過(guò)程。根據(jù)曼徹斯特解碼過(guò)程中完成任務(wù)的不同，可以把曼徹斯特解碼過(guò)程分為起始符識(shí)別及獲取同步時(shí)鐘、識(shí)別同步頭、提取數(shù)據(jù)信息3個(gè)階段。

(1) 同步頭的判定

本系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)高低電平所占的位寬來(lái)判斷數(shù)據(jù)。當(dāng)電平持續(xù)時(shí)間小于3／4的同步時(shí)鐘周期時(shí)，電平時(shí)間為半個(gè)位寬，反之電平時(shí)間為1個(gè)位寬。因?yàn)樵谄鹗挤R(shí)別時(shí)只用了2個(gè)字節(jié)0xFF中的一個(gè)，所以在開(kāi)始識(shí)別同步頭時(shí)識(shí)別出的第1個(gè)數(shù)據(jù)位肯定是‘1’，由此決定了在碼元識(shí)別時(shí)必須遵循以下2點(diǎn)。

首先對(duì)單片機(jī)的RXD 端( P3. 0) 進(jìn)行連續(xù)采樣，從P3. 0 引腳變低時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，若低電平的時(shí)間達(dá)到1. 3 T ，則認(rèn)為該電平為同步頭。因?yàn)橛脽o(wú)線數(shù)傳模塊得到的信號(hào)波形一般為梯形，所以接收到的實(shí)際高低電平寬度可能變小，因此若接收到低電平寬度達(dá)到1. 3 T ，則可近似認(rèn)為該電平為某數(shù)據(jù)的同步頭。

(2) 數(shù)據(jù)位的判定

對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位的判定采用“測(cè)三取二”的方法，既將每個(gè)數(shù)據(jù)位的前半部分成16 個(gè)狀態(tài)，在第7 、8 、9 狀態(tài)檢測(cè)P3. 0 引腳上的電平，取其大于等于2的相同值作為測(cè)得值，如表1 所示(表中“ x ”表示“0”或“1”) 。此檢測(cè)方法是在高電平或低電平的中間位置進(jìn)行采樣，既提高了采樣準(zhǔn)確度又有一定的濾波功能。

(3) 循環(huán)冗余校驗(yàn)

對(duì)解碼得到的16 位數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，若余數(shù)為零，則認(rèn)為傳輸正確，否則進(jìn)行出錯(cuò)處理。

2.2 解碼子程序流程圖及說(shuō)明

解碼子程序包括曼徹斯特解碼和差錯(cuò)校驗(yàn)兩部分，其流程圖如圖3 所示。首先進(jìn)行同步頭的判定，從RXD 端( P3. 0) 為低電平時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)(單片機(jī)的RXD 端與無(wú)線數(shù)傳模塊收的DATA OU T 端相連) ，并對(duì)P3. 0 引腳進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣時(shí)間間隔可自行設(shè)定，若P3. 0 引腳的低電平時(shí)間達(dá)到1. 3 T ，則認(rèn)為該低電平為某數(shù)據(jù)的同步頭，然后對(duì)同步頭后面的數(shù)據(jù)位的前半位采用“測(cè)三取二”的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)位的判定，最后對(duì)采樣得到的16 位數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)，若余數(shù)為0 ，則置錯(cuò)誤標(biāo)志，若不為0 ，則去掉冗余位， 得到12 位有效數(shù)據(jù)。TIME1～TIME3 是湊采樣的時(shí)間間隔。

3結(jié)論

本文以一個(gè)實(shí)際工程的一部分為例，闡述了用AVR單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)曼徹斯特編解碼方法。經(jīng)過(guò)了實(shí)際驗(yàn)證，數(shù)據(jù)傳輸可靠性很高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，樣機(jī)已經(jīng)成型，即將投入生產(chǎn)。與其它的數(shù)據(jù)傳輸方法和曼徹斯特編解碼方式相比，本方法十分靈活方便，它可以白適應(yīng)射頻發(fā)射機(jī)電池電壓變化引起的數(shù)據(jù)傳輸波特率的變化?？商幚淼拇a速率也很高，極限碼速率與所采用的單片機(jī)的速度和振蕩器的頻率以及采用的編程語(yǔ)言都有關(guān)系。本設(shè)計(jì)中采用C編程，振蕩器頻率為16MHz，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10kbps，用匯編語(yǔ)言編程數(shù)據(jù)傳輸率會(huì)更高。