摘 要： 針對數(shù)據(jù)幀格式固定、校驗方式單一以及傳輸速率不便于更改等問題，提出了一種通過 STC89C516RD+單片機實現(xiàn)的軟件編解碼方法。該方法通過定時器的延時來實現(xiàn)對數(shù)字信號的編碼；通過外部中斷與定時器相結合的方式進行解碼，即利用接收到的脈沖信號的上升沿啟動定時器工作，下降沿停止定時器工作并觸發(fā)外部中斷，然后讀取計數(shù)寄存器的值并識別數(shù)據(jù)。實驗證明，該方法的數(shù)據(jù)幀格式及校驗方式靈活多變，而且可以降低無線傳輸系統(tǒng)的成本，適用于無線控制、數(shù)據(jù)采集、故障報警等多種無線數(shù)據(jù)通信場合。
關鍵詞： 編碼；解碼；定時器；外部中斷
隨著微電子、計算機信息技術的迅速發(fā)展，由單片機和無線傳輸模塊組成的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在石油、電力、水文、冶金、安防等行業(yè)的無線控制、數(shù)據(jù)采集、故障報警等諸多領域中得到越來越廣泛的應用。而數(shù)據(jù)的編解碼對于無線傳輸可靠性的影響舉足輕重。目前編解碼方式主要有硬件編解碼和軟件編解碼兩種。本文在對已有硬件及軟件編解碼技術研究的基礎上，設計并通過STC89C516RD+單片機實現(xiàn)了一種以軟件方式對傳輸數(shù)據(jù)編解碼的方法。
1 現(xiàn)有的編解碼技術
1.1 硬件編解碼技術
目前有多種用于編碼和解碼的專用芯片，PT2262/PT2272是比較常用的一種。在通常的使用中，一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1~8腳為地址設定腳。有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源和接地，38為6 561，所以地址編碼不重復度為6 561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同時，才能配對使用。當編碼啟動端TE接低電平時，PT2262就將從數(shù)據(jù)輸入端D0~D3輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后從DOUT引腳串行輸出[1]，數(shù)據(jù)幀的高8位為地址，低4位為數(shù)據(jù)，發(fā)送時以先高位、后低位的順序逐次發(fā)送。每一幀發(fā)送4次，每幀數(shù)據(jù)中間由同步碼隔開。PT2272只有在連續(xù)2次檢測到相同的地址碼和數(shù)據(jù)碼時才會把數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動相應的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動VT引腳同步為高電平[2]，將VT引腳反向后接入單片機的外部中斷輸入引腳，通過觸發(fā)中斷來通知單片機接收到數(shù)據(jù)了。
PT2262/PT2272芯片功耗低、外部元器件少、工作電壓范圍寬。但這兩個芯片在應用中必須對地址統(tǒng)一編碼，配對使用，而且需要通過改變硬件電路才能重新設置芯片地址；該編碼芯片的幀格式是固定的，不能隨意改動，而且編碼的脈沖寬度需要調(diào)節(jié)外接振蕩電阻大小才能改變。這些都給用戶的使用帶來了極大的不便。
1.2 軟件編解碼技術
在利用單片機和無線傳輸模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，使用軟件編解碼時通常會采用定時采樣的方式?？傮w設計思想如下：發(fā)送端通過定時器延時產(chǎn)生不同寬度的脈沖或脈沖組合來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)“0”和“1”的編碼。接收端對接收到的脈沖信號進行定時采樣，然后通過計算識別出對應的數(shù)據(jù)信號。通過定時采樣的方式進行解碼時，對采樣頻率具有比較嚴格的要求。根據(jù)奈奎斯特理論，只有采樣頻率高于發(fā)射信號最高頻率的2倍時，才能把數(shù)字信號準確還原[3]。但是中斷的響應與返回以及數(shù)據(jù)的判斷都會造成時間延遲，因此，發(fā)射信號的頻率不能太高，否則容易導致數(shù)據(jù)丟失。同時定時采樣需要多次調(diào)用中斷服務程序，增加了額外的時間開銷。這些都會降低無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?br />
2 改進的編解碼技術
2.1 軟件編碼原理及程序流程
編碼就是用不同形式的碼型來表示二進制的“1”和“0”。本文采用的編碼方式為脈沖—間隙編碼，即在下一脈沖前的暫停持續(xù)時間t表示二進制符號“1”，而下一脈沖前的暫停持續(xù)時間2t表示二進制符號“0”[4]，脈沖—間隙編碼如圖1所示。發(fā)送端的信號分為同步信號、數(shù)據(jù)信號以及校驗和信號，無線發(fā)射電路如圖2所示。經(jīng)過編碼后的信號由單片機的P1.7引腳輸出到無線發(fā)射模塊，然后無線發(fā)射模塊將基帶信號經(jīng)高頻載波電路調(diào)制后，通過天線向空間輻射。
在發(fā)送端對數(shù)據(jù)進行編碼時，由于對發(fā)送的數(shù)據(jù)位、位數(shù)的判斷以及校驗和的生成所產(chǎn)生的延遲時間不超過70T，其中T為機器周期，因此，定義100T的高電平脈沖代表“1”，而200T的高電平脈沖代表“0”。在接收端進行解碼時，由INT1引腳上的下降沿觸發(fā)中斷并停止定時器計數(shù)，進而識別數(shù)據(jù)信號，此過程中斷服務程序的延遲時間不超過50T。因此，設置數(shù)據(jù)位之間的低電平脈沖寬度為70T。為了不與數(shù)據(jù)信號混淆，將同步位定義為300T的高電平脈沖。本實驗采用的石英晶體的晶振頻率為12 MHz，因此一個機器周期為1 μs，故一個字節(jié)的傳輸速率最快為5 882 b/s，最慢為3 703 b/s。
軟件編碼程序流程圖如圖3所示，采用定時器0工作在方式1，即16位定時器工作方式，根據(jù)不同的輸出脈沖寬度需求向計數(shù)寄存器TH0和TL0中裝入不同的初始值。標志位flags_0用來區(qū)分高電平脈沖和低電平脈沖，當標志位flags_0為0時輸出兩個數(shù)據(jù)位之間的低電平脈沖，不為0時輸出高電平脈沖。標志位flags_1用來區(qū)分數(shù)據(jù)位和同步位，當flags_1為0時輸出數(shù)據(jù)位高電平脈沖，為1時輸出同步位高電平脈沖。在發(fā)送的過程中，每發(fā)送一個字節(jié)，就將該字節(jié)累加到校驗和中，當所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完后就發(fā)送校驗和。
2.2 軟件解碼原理及程序流程
解碼是用特定方法把數(shù)碼還原成它所代表的內(nèi)容，或?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成它所代表的信息、數(shù)據(jù)等過程。本文采用定時器與外部中斷相結合的方法對接收到的脈沖信號進行解碼，并利用接收到的校驗和進行校驗。
將單片機的模式控制寄存器TMOD的門控位GATE置1，當TR1＝1時，外部中斷INT1直接控制定時器1的啟動、停止，即INT1由0變?yōu)?電平時，啟動計數(shù)；當INT1由1變?yōu)?電平時，停止計數(shù)。這種情況常用來測量在INT1引腳上出現(xiàn)的正脈沖的寬度[5]。無線接收電路如圖4所示，無線接收模塊將接收到的信號進行解調(diào)、放大和整形，恢復出基帶信號，由引腳2輸出到單片機的INT1引腳上。設置外部中斷1為下降沿觸發(fā)方式，定時器/計數(shù)器1為16位定時器工作方式。當INT1引腳上出現(xiàn)由高到低的負跳變時觸發(fā)中斷，定時器1停止計數(shù)[6]，讀取計數(shù)寄存器TL1和TH1中的值來判斷脈沖寬度，從而解碼接收到的數(shù)據(jù)信號。
由于在發(fā)送過程中重裝計數(shù)初值、接收數(shù)據(jù)以及中斷的響應都需要時間，所以接收到的實際脈沖寬度大于發(fā)送的脈沖寬度。因此，如果接收到的高電平脈沖寬度大于300T則表示接收到同步位；若大于200T則表示接收到數(shù)據(jù)位“0”；否則表示接收到數(shù)據(jù)位“1”。軟件解碼流程圖如圖5所示，在接收到同步位后，開始接收數(shù)據(jù)，直到再次接收到同步位的時候暫停接收。利用接收到的數(shù)據(jù)以及校驗和進行校驗，如果接收到的數(shù)據(jù)正確，則停止接收；如果不正確，則將之前接收到的數(shù)據(jù)全部丟棄，再重新開始接收。
實驗證明，通過該方法進行軟件編碼和解碼時，可以根據(jù)不同的需要使用軟件編程來設置地址，接收端與發(fā)送端可以進行多對多的無線數(shù)據(jù)通信，而不需要配對使用；改變定時器的計數(shù)寄存器初值就可以改變編碼的脈沖寬度，從而改變傳輸速率；解碼準確快捷，占用CPU資源相對較少，便于操作；校驗方式可選，數(shù)據(jù)幀格式靈活多變。
本實驗中采用的是晶振頻率為12 MHz的石英晶體，以及具有CISC結構的8位單片機，它的一個機器周期要占用12個振蕩周期，執(zhí)行一條指令最少要一個機器周期，處理速度較慢，在一定程度上影響了無線傳輸速率?？梢酝ㄟ^提高晶振頻率或者選擇速度較快的單片機作為控制芯片的方式來提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率。如選擇具有流水線結構的C8051F系列單片機，或者是具有預取指令功能的AVR系列單片機，它們可以在一個時鐘周期內(nèi)完成一條指令。也可以采用具有DW8051_core核的單片機，它采用4個時鐘周期為1個指令周期的模式，在時鐘周期相同的情況下，處理能力是標準8051的3倍。采用這些高速度的單片機可以減少程序執(zhí)行所產(chǎn)生的延遲時間，從而縮短數(shù)據(jù)位編碼脈沖寬度，提高無線數(shù)據(jù)傳輸速率。
參考文獻
[1] 黎國鋒，馮永振，盧廣文.近距離無線加密傳輸韋根信號的實現(xiàn)[J].無線通信技術，2009(1)：31-36.
[2] 趙秋.利用編解碼芯片的無線收發(fā)電路[J].信息化研究，2009，35(9)：35-38.
[3] 邵平凡，陳華斌.基于Atmega8無線信號軟件編解碼的實現(xiàn)方法及性能分析[J].福建電腦，2009(8)：115-116.
[4] 康東，石喜勤，李勇鵬，等.射頻識別（RFID）核心技術與典型應用開發(fā)案例[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[5] 梅麗鳳，王艷秋，汪毓鐸，等.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.
[6] 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的C語言應用程序設計(第4版)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.