基于51單片機的無線信號編解碼技術研究

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據通信系統(tǒng)在石油、電力、水文、冶金、安防等行業(yè)的無線控制、數據采集、故障報警等諸多領域中得到越來越廣泛的應用。而數據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+單片機實現了一種以軟件方式對傳輸數據編解碼的方法。
1 現有的編解碼技術
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位數據碼，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就將從數據輸入端D0~D3輸入的數據經過編碼后從DOUT引腳串行輸出[1]，數據幀的高8位為地址，低4位為數據，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，每幀數據中間由同步碼隔開。PT2272只有在連續(xù)2次檢測到相同的地址碼和數據碼時才會把數據碼中的“1”驅動相應的數據輸出端為高電平和驅動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據了。
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據傳輸的過程中，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生不同寬度的脈沖或脈沖組合來實現對數據“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據信號。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，才能把數字信號準確還原[3]。但是中斷的響應與返回以及數據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，否則容易導致數據丟失。同時定時采樣需要多次調用中斷服務程序，增加了額外的時間開銷。這些都會降低無線數據傳輸的速率。
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、數據信號以及校驗和信號，無線發(fā)射電路如圖2所示。經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高頻載波電路調制后，通過天線向空間輻射。

　在發(fā)送端對數據進行編碼時，由于對發(fā)送的數據位、位數的判斷以及校驗和的生成所產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，進而識別數據信號，此過程中斷服務程序的延遲時間不超過50T。因此，設置數據位之間的低電平脈沖寬度為70T。為了不與數據信號混淆，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，根據不同的輸出脈沖寬度需求向計數寄存器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時輸出兩個數據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)分數據位和同步位，當flags_1為0時輸出數據位高電平脈沖，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，當所有的數據發(fā)送完后就發(fā)送校驗和。