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1 應(yīng)用背景 在局域網(wǎng)、紅外線遙控、工業(yè)現(xiàn)場總線和有線視頻監(jiān)控等通信系統(tǒng)中，普遍使用曼徹斯特碼作為數(shù)據(jù)編碼的方式。對曼徹斯特碼的解碼通常采用專用的解碼芯片，但是這種方法的通用性差。因為同樣是曼徹斯特碼。不同廠家有不同的編碼規(guī)則和不同的幀同步方式，因此解碼芯片不具備通用性，不能適用于一些特殊的曼徹斯特編碼。如果在信號接收端采用微處理器對其解碼，則具有通用性和靈活性。 Bosch和Philips公司的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，控制中速和高速攝像機云臺動作的信號均采用曼徹斯特碼編碼傳輸。本文在開發(fā)解碼器的過程中發(fā)現(xiàn)所記錄的曼徹斯特碼與參考文獻[1—3]所描述的完全不同。此外在參考文獻[1—3]中敘述了采用單片機對曼徹斯特碼進行解碼的方法，但是都沒有給出曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為TTI。信號的詳細電路。而且由于曼徹斯特碼每1位的傳輸時間為32 ps，8位單片機的運行速度僅夠?qū)ζ浣獯a而不能同時承擔(dān)其他工作。因此按照這種設(shè)計，在云臺解碼器中必須采用2個單片機，一個作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，另外一個單片機完成指令解析和控制云臺及攝像機等其他動作。本文采用的則是單一芯片解決方案，使用基于ARM(Advanced RISC Ma—chines)內(nèi)核的微控制器I。PC2104，利用其運行速度快和定時精度高的特點，對曼徹斯特碼進行解碼并控制云臺和攝像機的其他動作。本文將詳細敘述Bosch和Philips公司的曼徹斯特碼編碼規(guī)則、曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為TTL信號的2種電路方案和軟件設(shè)計思想。 2曼徹斯特碼編碼規(guī)則 曼徹斯特碼以雙絞線為物理傳輸媒介，并采用差分信號進行傳輸，2根傳輸線分別為D+和D一。盡管曼徹斯特編碼規(guī)定采用電平跳變的方式來表示0和1，但是不同的設(shè)備制造商在實際使用過程中采用了不同特點的編碼方式。這體現(xiàn)在編碼規(guī)則和傳輸格式上的不同。例如，一般的曼徹斯特編碼規(guī)則是，由低電平到高電平的跳變代表邏輯0，由高電平到低電平的跳變代表邏輯1。但是在部分紅外線通信和有線視頻監(jiān)控中，控制信號的傳輸卻采用r完沒有數(shù)據(jù)全相反的規(guī)則，即：由低電平到高電平的跳變代表邏輯1，由高電平到低電平的跳變代表邏輯0，傳輸時D+與D一之間的電位差為0。 圖1所示為Bosch和Philips公司的曼徹斯特碼編碼規(guī)則。 
3 曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為TTL信號 差分信號必須轉(zhuǎn)換為TTL信號才能被微處理器識別。在T程應(yīng)用中，實測的差分信號都不是標準的矩形，而是很不規(guī)則的近似于iF弦信號的波 形。因此還需要對信號進行整形。圖2是帶有同差的比較器電路，它的功能是對差分信號整形。同時將差分信號轉(zhuǎn)換為TTI，信號。圖3所示則采用r差分信號轉(zhuǎn)TTL信號的專用集成電路SN75176。轉(zhuǎn)換后的TTI，信號通過引腳PO．2，即定時器0的捕獲輸入口CAP0．0，進入I．PC2104。
4. 幀結(jié)構(gòu) 圖4所示為圖2或圖3中記錄的曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為TTI。信號后的波形。它是Bosch公司用于遠程控制云臺的LTC5136鍵盤發(fā)出的一串指令中的1幀，包含完整的幀同步、幀數(shù)據(jù)和幀結(jié)束等部分。其傳輸?shù)膬?nèi)容足l位起始位，8位數(shù)據(jù)位(圖中的數(shù)據(jù)為十六進制數(shù)87)，1位奇 偶校驗位和l位停止位。
每個比特的傳輸時間為32 ps，它在電平上分為兩相，一個是高電平，一個是低電平。在32弘s的一半處。兩相發(fā)牛跳變，因此每相的持續(xù)時間均為16 ps。由低電平到高電平的跳變代表邏輯1，由高電平到低電平的跳變代表邏輯0。 可以看出，每個字節(jié)都是以1幀為單位進行傳輸?shù)�，每幀分為幀同步、幀�?shù)據(jù)和幀結(jié)束三個部分，每個部分的結(jié)構(gòu)和特點如下： ①幀同步的作用是提示接收設(shè)備做好接收后續(xù)字節(jié)的準備，同時可以作為接收設(shè)備識別幀同步的時鐘信號。識別幀同步足正確接收后續(xù)字節(jié)的關(guān)鍵。幀同步的結(jié)構(gòu)是。連續(xù)出現(xiàn)5個邏輯1，之后出現(xiàn)1個較寬的方波信號，低電平時間為48 ps，高電平時間也是48 lus，這個方波是幀同步信號的結(jié)束標志。 ②數(shù)據(jù)部分包括1個起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位和1位停止位。實際采用的是奇校驗。數(shù)據(jù)傳輸時，先傳輸最低有效位，后傳輸最高有效位。 ③幀結(jié)束的標志為1個方波，其高電平和低電平的時間均為64弘s。 ④幀與幀之間的間隔時間為304 ps。因此1幀的傳輸時間為1 040弘s，對應(yīng)的波特率剛好為9 600 bps。 Philips公司的LTC8553和I．TC8800矩陣發(fā)送的曼徹斯特碼與上述Bosch公司的編碼有完全相同的地方，即幀同步和幀結(jié)束標志的結(jié)構(gòu)都是完全一樣的，每1位的傳輸時間是一致的，對邏輯0和1的編碼規(guī)則是相同的，且都是奇校驗。不同之處在于，Philips公司的編碼將1條控制命令中的所有字節(jié)首尾相連地在1幀信號中發(fā)送，字節(jié)與字節(jié)之間沒有分隔開來，而Bosch公司的則是每傳輸1個字節(jié)都有完整的幀同步和幀結(jié)束標志。 5數(shù)據(jù)采樣 LPC2104有2個捕獲／比較定時器，即定時器0和定時器l，每個定時器除具備對外部信號的捕獲功能外還具備匹配功能。本系統(tǒng)中，曼徹斯特碼轉(zhuǎn)換為TTL信號后送入定時器0的捕獲信號輸入端CAP0．0。利用定時器0的捕獲功能捕捉并識別】幀信號的幀同步，利用定時器的比較功能去識別一幀的數(shù)據(jù)部分。圖5為程序框圖。
①同步信號的識別。識別同步信號的方法是，從一開始接收到方波時就捕捉方波的低電平和高電平時間，如果都是48 ps，則表明已經(jīng)檢測到幀同步的標志。將LPC2104的定時器0的捕獲控制寄存器TOCCR設(shè)定為上升沿捕獲，即當輸入端CAP0．0的電平產(chǎn)生從0到1的跳變時，將計數(shù)器的值保存到捕獲寄存器CR0，并產(chǎn)生中斷。當產(chǎn)生中斷時，在中斷服務(wù)程序里判斷CR0的值是否在(48±5)ps范圍，如果正確，則將標志變量Flag置l，否則清零。無論是否為48肛s，都必須將CR0清零并將TOCCR設(shè)定為下降沿捕獲。當下降沿產(chǎn)生捕獲時，在中斷服務(wù)程序中對CR0的值，即脈沖高電平時間，進行判斷，如果在(48±5)／zs范圍且Flag為l，則表明幀同步的結(jié)束標志已經(jīng)檢測到，否則將Flag清零。 ②起始位的判斷。如果下降沿捕獲產(chǎn)生的中斷服務(wù)程序已經(jīng)檢測到幀同步的結(jié)束標志，則將定時器0設(shè)定在比較功能，將匹配寄存器0的值設(shè)定為24 Ps，當產(chǎn)生匹配時復(fù)位定時器并產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中對CAP0．0引腳進行采樣。采樣點剛好落在起始位的后一相信號的中間位置，即1位數(shù)據(jù)傳輸時間的24 ps位置處，如圖6中箭頭所指位置。為了提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性，在采樣點附近連續(xù)采樣3次，取其中2次相同的數(shù)據(jù)為最終結(jié)果。如果采樣得到的電平為0，則表明數(shù)據(jù)位為0，否則為1。如果最終采樣結(jié)果為1，表明起始位判斷成功，后面開始數(shù)據(jù)位的采樣。如果結(jié)果為0，表明該位并非起始位，因此需要重新進行同步信號的識別。
③數(shù)據(jù)位的采樣。如圖6所示，采樣點選取在每1位后一相的中間，即24弘s處。從起始位的采樣點開始，每隔32 ps對CAP0．0的電平進行連續(xù)的3次采樣，取其中2次相同的數(shù)據(jù)為最終結(jié)果。按照同樣的方式連續(xù)采樣10個數(shù)據(jù)。采集到的第1位到第8位分別為1個字節(jié)的bit0到bit7，注意低位在前高位在后。第9位為奇偶校驗位，第lo位為停止位。停止位始終為0。 ④在停止位之后緊跟的是64 ps的高電平和64 ps的低電平。停止位與下一幀信號之間為空閑信號，空閑信號為高電平，持續(xù)時間為304弘s。一般而言對這部分不必做任何檢測。 6 實驗 LPC2104構(gòu)成的曼徹斯特碼解碼器已經(jīng)用于中速和高速球型攝像機云臺中，LPC2104首先對曼徹斯特碼進行解碼，然后解釋命令的內(nèi)容，最后控制云臺和攝像機的動作。該解碼器運行至今非常穩(wěn)定，沒有發(fā)生控制指令漏失的情況。在編寫程序的過程中要注意，定時器中斷服務(wù) 程序的運行時間一定要非常短，不能大于32 ps，否則就會產(chǎn)生采集到的數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)不相符的情況。 參考文獻 1. 王志永.李曉白 曼徹斯特碼異步解調(diào)的單片機實現(xiàn)及性能分析 [期刊論文] -遙測遙控2003(11) 2. 李欣 高速曼徹斯特碼的準異步解調(diào) 1999(03) 3. 李會銀 用 AT89C2051實現(xiàn)的曼徹斯特編碼譯碼器及應(yīng)用 1999(10) 作者：湖北咸寧學(xué)院 張紅兵 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2008 (9) |
