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摘 要: 在利用單片機(jī)和無線數(shù)傳模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信時，通常的辦法是通過單片機(jī)的串行I/ O 口來完成數(shù)據(jù)的串行通信。然而方法存在許多不足之處，如差錯檢測能力差、幀格式不靈活等。針對低速通信的場合，提出了一種通過單片機(jī)和無線數(shù)傳模塊以軟件方式實(shí)現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)編碼、解碼的原理和方法。數(shù)據(jù)的編碼采用了曼徹斯特編碼格式，每幀數(shù)據(jù)包括同步頭、有效數(shù)據(jù)位和冗余校驗(yàn)位三部分。解碼包括同步頭和數(shù)據(jù)位的判定及循環(huán)冗余校驗(yàn)。在數(shù)據(jù)位的判定中提出了用軟件實(shí)現(xiàn)“測三取二”的判定方法。該判定方法不但可以提高采樣的準(zhǔn)確度，而且還具有一定的濾波功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與單片機(jī)的串口通信相比，該編解碼方法具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)靈活等優(yōu)點(diǎn)。
利用單片機(jī)和無線數(shù)傳模塊來完成無線數(shù)據(jù)通信在石油、電力、水文、冶金等行業(yè)的無線控制、數(shù)據(jù)采集、報警諸多領(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，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，然而在無線通信場合，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)一般不能檢測出這類干擾所引起的突發(fā)性錯誤，所以該方法無法滿足差錯檢測要求較高的場合;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。本文針對低速無線通信的場合，提出了一種通過單片機(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， 在無線通信中得到了令人滿意的效果[1 - 4 ] 。
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[5 ] 。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 為一個數(shù)據(jù)位寬度) 。根據(jù)曼徹斯特碼的特點(diǎn)，每個數(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)位中不會存在超過一個數(shù)據(jù)位寬度的高電平或低電平，因此在每個數(shù)據(jù)的前面設(shè)一個同步頭，高低電平各為1. 5 T 。這樣在進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時，只要采樣得到的電平滿足1. 5 T ，則認(rèn)為該電平是同步頭，開始接收數(shù)據(jù)。因?yàn)閷ふ彝筋^的時間最長不會超過一個數(shù)據(jù)的長度，所以此編碼方式非常適合于要求多路進(jìn)行快速切換的場合。為了簡化電路和節(jié)省功耗，本文采用了單極性曼徹斯特碼。
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)為沒有錯誤發(fā)生，不為零則表示有錯。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)各種類型的錯誤，特別是一些突發(fā)性錯誤，所以它是一種效率極高的差錯校驗(yàn)法[6 ] 。
根據(jù)CRC 碼的編碼思想[7 ] ，對(16 ，12) 碼，由x 16 + 1 確定生成多項(xiàng)式為G ( x ) = x 4 + 1 ，該多項(xiàng)式也可表示成(10001) 。對被傳輸?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明
曼徹斯特編碼子程序包括計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，然后對該16 位，并通過無線數(shù)傳模塊調(diào)制成模擬信號發(fā)射出去(單片機(jī)的TXD 端與無線數(shù)傳模塊發(fā)的DATA IN 端相連) 。同步頭及數(shù)據(jù)位發(fā)送是通過對單片機(jī)的TXD 端( P3. 1) 置“1”和清“0”并進(jìn)行軟件延時來實(shí)現(xiàn)。TIME1 和TIME2 為軟件延時，以滿足同步頭高低電平寬度的要求。值得注意的是，在編寫編碼子程序時，應(yīng)確保P3. 1 置“1”和清“0”時間間隔滿足數(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
解碼的思想是:首先進(jìn)行同步頭的判定，然后采用“測三取二”的法判斷數(shù)據(jù)位，得到每幀的16 位數(shù)據(jù)，最后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)。
(1) 同步頭的判定
首先對單片機(jī)的RXD 端( P3. 0) 進(jìn)行連續(xù)采樣，從P3. 0 引腳變低時開始計時，若低電平的時間達(dá)到1. 3 T ，則認(rèn)為該電平為同步頭。因?yàn)橛脽o線數(shù)傳模塊得到的信號波形一般為梯形，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
對每個數(shù)據(jù)位的判定采用“測三取二”的方法，既將每個數(shù)據(jù)位的前半部分成16 個狀態(tài)，在第7 、8 、9 狀態(tài)檢測P3. 0 引腳上的電平，取其大于等于2的相同值作為測得值，如表1 所示(表中“ x ”表示“0”或“1”) 。此檢測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)行出錯處理。
2. 2 解碼子程序流程圖及說明
解碼子程序包括曼徹斯特解碼和差錯校驗(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) 為低電平時開始計時(單片機(jī)的RXD 端與無線數(shù)傳模塊收的DATA OU T 端相連) ，并對P3. 0 引腳進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣時間間隔可自行設(shè)定，若P3. 0 引腳的低電平時間達(dá)到1. 3 T ，則認(rèn)為該低電平為某數(shù)據(jù)的同步頭，然后對同步頭后面的數(shù)據(jù)位的前半位采用“測三取二”的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)位的判定，最后對采樣得到的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 是湊采樣的時間間隔。
3 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)證明，與單片機(jī)串口通信相比，使用該方案來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸格式靈活。同時從軟件編解碼中可以發(fā)現(xiàn)，如果改變軟件延時時間則可以改變系統(tǒng)的通信速率，設(shè)計者可以根據(jù)數(shù)據(jù)通信的實(shí)際需要自行設(shè)定。而且該編解碼方案適合任何種類的單片機(jī)。因此該方案適合各種無線數(shù)據(jù)通信的場合。盡管軟件編解碼的最大缺點(diǎn)是系統(tǒng)獨(dú)占主機(jī)，在有中斷任務(wù)的系統(tǒng)中，將無法保證編解碼程序運(yùn)行時獨(dú)占主機(jī)，但是可以使用上述方案用專門單片機(jī)作為編譯碼器，將其嵌入系統(tǒng)中，這樣既克服了軟件編解碼程序獨(dú)占主機(jī)的缺點(diǎn)，又充分利用了軟件編解碼的優(yōu)點(diǎn)， 因此該方案也具有一定的通用性 。
來源：DVBCN數(shù)字電視中文網(wǎng)
