摘  要： 針對(duì)數(shù)據(jù)幀格式固定、校驗(yàn)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(jī)實(shí)現(xiàn)的軟件編解碼方法。該方法通過定時(shí)器的延時(shí)來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的編碼；通過外部中斷與定時(shí)器相結(jié)合的方式進(jìn)行解碼，即利用接收到的脈沖信號(hào)的上升沿啟動(dòng)定時(shí)器工作，下降沿停止定時(shí)器工作并觸發(fā)外部中斷，然后讀取計(jì)數(shù)寄存器的值并識(shí)別數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法的數(shù)據(jù)幀格式及校驗(yàn)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(bào)警等多種無線數(shù)據(jù)通信場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞： 編碼；解碼；定時(shí)器；外部中斷

　隨著微電子、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，由單片機(jī)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(bào)警等諸多領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。而數(shù)據(jù)的編解碼對(duì)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(duì)已有硬件及軟件編解碼技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并通過STC89C516RD+單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種以軟件方式對(duì)傳輸數(shù)據(jù)編解碼的方法。
1 現(xiàn)有的編解碼技術(shù)
1.1 硬件編解碼技術(shù)
　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(shí)編碼芯片PT2262和解碼芯片PT2272的第1~8腳為地址設(shè)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(fù)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(shí)，才能配對(duì)使用。當(dāng)編碼啟動(dòng)端TE接低電平時(shí)，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(shí)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(cè)到相同的地址碼和數(shù)據(jù)碼時(shí)才會(huì)把數(shù)據(jù)碼中的“1”驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端為高電平和驅(qū)動(dòng)VT引腳同步為高電平[2]，將VT引腳反向后接入單片機(jī)的外部中斷輸入引腳，通過觸發(fā)中斷來通知單片機(jī)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(gè)芯片在應(yīng)用中必須對(duì)地址統(tǒng)一編碼，配對(duì)使用，而且需要通過改變硬件電路才能重新設(shè)置芯片地址；該編碼芯片的幀格式是固定的，不能隨意改動(dòng)，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(shù)
　在利用單片機(jī)和無線傳輸模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，使用軟件編解碼時(shí)通常會(huì)采用定時(shí)采樣的方式?？傮w設(shè)計(jì)思想如下：發(fā)送端通過定時(shí)器延時(shí)產(chǎn)生不同寬度的脈沖或脈沖組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)“0”和“1”的編碼。接收端對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)采樣，然后通過計(jì)算識(shí)別出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)。通過定時(shí)采樣的方式進(jìn)行解碼時(shí)，對(duì)采樣頻率具有比較嚴(yán)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(hào)最高頻率的2倍時(shí)，才能把數(shù)字信號(hào)準(zhǔn)確還原[3]。但是中斷的響應(yīng)與返回以及數(shù)據(jù)的判斷都會(huì)造成時(shí)間延遲，因此，發(fā)射信號(hào)的頻率不能太高，否則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)定時(shí)采樣需要多次調(diào)用中斷服務(wù)程序，增加了額外的時(shí)間開銷。這些都會(huì)降低無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?br /> 2 改進(jìn)的編解碼技術(shù)
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(jìn)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(shí)間t表示二進(jìn)制符號(hào)“1”，而下一脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間2t表示二進(jìn)制符號(hào)“0”[4]，脈沖—間隙編碼如圖1所示。發(fā)送端的信號(hào)分為同步信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)以及校驗(yàn)和信號(hào)，無線發(fā)射電路如圖2所示。經(jīng)過編碼后的信號(hào)由單片機(jī)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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，由于對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)位、位數(shù)的判斷以及校驗(yàn)和的生成所產(chǎn)生的延遲時(shí)間不超過70T，其中T為機(jī)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(jìn)行解碼時(shí)，由INT1引腳上的下降沿觸發(fā)中斷并停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，進(jìn)而識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)，此過程中斷服務(wù)程序的延遲時(shí)間不超過50T。因此，設(shè)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(hào)混淆，將同步位定義為300T的高電平脈沖。本實(shí)驗(yàn)采用的石英晶體的晶振頻率為12 MHz，因此一個(gè)機(jī)器周期為1 μs，故一個(gè)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(shí)器0工作在方式1，即16位定時(shí)器工作方式，根據(jù)不同的輸出脈沖寬度需求向計(jì)數(shù)寄存器TH0和TL0中裝入不同的初始值。標(biāo)志位flags_0用來區(qū)分高電平脈沖和低電平脈沖，當(dāng)標(biāo)志位flags_0為0時(shí)輸出兩個(gè)數(shù)據(jù)位之間的低電平脈沖，不為0時(shí)輸出高電平脈沖。標(biāo)志位flags_1用來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)位和同步位，當(dāng)flags_1為0時(shí)輸出數(shù)據(jù)位高電平脈沖，為1時(shí)輸出同步位高電平脈沖。在發(fā)送的過程中，每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就將該字節(jié)累加到校驗(yàn)和中，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完后就發(fā)送校驗(yàn)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(hào)轉(zhuǎn)換成它所代表的信息、數(shù)據(jù)等過程。本文采用定時(shí)器與外部中斷相結(jié)合的方法對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼，并利用接收到的校驗(yàn)和進(jìn)行校驗(yàn)。
　將單片機(jī)的模式控制寄存器TMOD的門控位GATE置1，當(dāng)TR1＝1時(shí)，外部中斷INT1直接控制定時(shí)器1的啟動(dòng)、停止，即INT1由0變?yōu)?電平時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)；當(dāng)INT1由1變?yōu)?電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)。這種情況常用來測(cè)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(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大和整形，恢復(fù)出基帶信號(hào)，由引腳2輸出到單片機(jī)的INT1引腳上。設(shè)置外部中斷1為下降沿觸發(fā)方式，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1為16位定時(shí)器工作方式。當(dāng)INT1引腳上出現(xiàn)由高到低的負(fù)跳變時(shí)觸發(fā)中斷，定時(shí)器1停止計(jì)數(shù)[6]，讀取計(jì)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(hào)。

　由于在發(fā)送過程中重裝計(jì)數(shù)初值、接收數(shù)據(jù)以及中斷的響應(yīng)都需要時(shí)間，所以接收到的實(shí)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(shí)候暫停接收。利用接收到的數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和進(jìn)行校驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)證明，通過該方法進(jìn)行軟件編碼和解碼時(shí)，可以根據(jù)不同的需要使用軟件編程來設(shè)置地址，接收端與發(fā)送端可以進(jìn)行多對(duì)多的無線數(shù)據(jù)通信，而不需要配對(duì)使用；改變定時(shí)器的計(jì)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(zhǔn)確快捷，占用CPU資源相對(duì)較少，便于操作；校驗(yàn)方式可選，數(shù)據(jù)幀格式靈活多變。
　本實(shí)驗(yàn)中采用的是晶振頻率為12 MHz的石英晶體，以及具有CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，它的一個(gè)機(jī)器周期要占用12個(gè)振蕩周期，執(zhí)行一條指令最少要一個(gè)機(jī)器周期，處理速度較慢，在一定程度上影響了無線傳輸速率。可以通過提高晶振頻率或者選擇速度較快的單片機(jī)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(jié)構(gòu)的C8051F系列單片機(jī)，或者是具有預(yù)取指令功能的AVR系列單片機(jī)，它們可以在一個(gè)時(shí)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(jī)，它采用4個(gè)時(shí)鐘周期為1個(gè)指令周期的模式，在時(shí)鐘周期相同的情況下，處理能力是標(biāo)準(zhǔn)8051的3倍。采用這些高速度的單片機(jī)可以減少程序執(zhí)行所產(chǎn)生的延遲時(shí)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。
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