用單片機實現(xiàn)無線通信中數(shù)據(jù)的編解碼

利用單片機和無線數(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、在利用單片機的串口進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能進行奇偶校驗，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行快速切換的場合;第三、單片機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用軟件實現(xiàn)編解碼的方案，該方案可以有效克服上述單片機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，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 。這樣在進行接收數(shù)據(jù)時，只要采樣得到的電平滿足1. 5 T ，則認為該電平是同步頭，開始接收數(shù)據(jù)。因為尋找同步頭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，即后四位為循環(huán)冗余校驗碼。循環(huán)冗余校驗碼簡稱為CRC ( CyclicRedundancy Code) 。循環(huán)冗余校驗的指導(dǎo)思想是發(fā)送端將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流多項式除以生成多項式得到冗余位，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式，如果余數(shù)為零，則認為沒有錯誤發(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 確定生成多項式為G ( x ) = x 4 + 1 ，該多項式也可表示成(10001) 。對被傳輸?shù)?2 位數(shù)據(jù)和生成多項式采用模2 運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)送是通過對單片機的TXD 端( P3. 1) 置“1”和清“0”并進行軟件延時來實現(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)進行CRC 校驗。

(1) 同步頭的判定

首先對單片機的RXD 端( P3. 0) 進行連續(xù)采樣，從P3. 0 引腳變低時開始計時，若低電平的時間達到1. 3 T ，則認為該電平為同步頭。因為用無線數(shù)傳模塊得到的信號波形一般為梯形，所以接收到的實際高低電平寬度可能變小，因此若接收到低電平寬度達到1. 3 T ，則可近似認為該電平為某數(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l(wèi)dquo; 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行采樣，既提高了采樣準確度又有一定的濾波功能。

(3) 循環(huán)冗余校驗

對解碼得到的16 位數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗，若余數(shù)為零，則認為傳輸正確，否則進行出錯處理。

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兩部分，其流程圖如圖3 所示。首先進行同步頭的判定，從RXD 端( P3. 0) 為低電平時開始計時(單片機的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到1. 3 T ，則認為該低電平為某數(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”的方法進行數(shù)據(jù)位的判定，最后對采樣得到的16 位數(shù)據(jù)進行循環(huán)冗余校驗，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

實驗證明，與單片機串口通信相比，使用該方案來進行無線數(shù)據(jù)通信抗干擾能力強，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。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是系統(tǒng)獨占主機，在有中斷任務(wù)的系統(tǒng)中，將無法保證編解碼程序運行時獨占主機，但是可以使用上述方案用專門單片機作為編譯碼器，將其嵌入系統(tǒng)中，這樣既克服了軟件編解碼程序獨占主機的缺點，又充分利用了軟件編解碼的優(yōu)點， 因此該方案也具有一定的通用性 。