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本帖最后由 Taio 于 2019-7-22 13:58 编辑 & p' }. B3 _: A% `
" S7 ~$ P! _1 _IrDA红外通信在导航仪中的应用
8 y! A5 T" P0 R, V/ |9 {摘要：ＩｒＤＡ红外通信是一种低价的、适应性广的短距离无线通信技术。介绍ＩｒＤＡ的有关协议及实现方式,并给出了ＩｒＤＡ红外通信在导航仪中的应用设计实例。( G: |! p; ]5 k: g/ F/ n \
关键词：红外数据协会（ＩｒＤＡ） 红外通信 高速红外 ４ＰＰＭ调制 高速串行／并行接口0 d0 O5 t# P% s) K6 a7 @. i2 }
导航仪是车载或手持的路径引导装置。要准确、快速、成功地实现路径引导,必须有大量的、并能不断更新的地理信息数据支持,这就要求它具有与其他设备通信并交换数据的功能。作为嵌入式设备的一员,可以选用的通信方案有：ＰＣＩ总线,ＩｒＤＡ,ＵＳＢ,Ｅｔｈｅｒｎｅｔ,ＰＣ卡及一些传统的Ｉ／Ｏ。其中可以实现无线通信的只有ＩｒＤＡ。ＩｒＤＡ１．０支持较高１１５．２Ｋｂｐｓ的通信速率,而ＩｒＤＡ１．１可以支持到４Ｍｂｐｓ。& i$ b1 K/ y S, F# w) s5 _4 z
无线通信的好处是可以去除设备对线缆和连接器的依赖,只要通信双方都支持ＩｒＤＡ协议,就能很快地建立通信链路,实现数据交换。4 c2 C: r( T' A
现在市场上６０％的笔记本电脑都支持红外传输,红外接口也成为几乎所有的掌上电脑的必配标准件。而现在生产的ＰＣ机主板上也大都预留了红外接口,只要选配合适的红外收发模块就能实现红外无线数据通信。可见,红外技术的迅速普及,使我们能够最终突破数字终端之间连线的限制。
' \% T8 ^/ A+ i# H6 J4 d1 ＩｒＤＡ及其通信协议简介
* e7 G7 \8 h8 c" n* H& Q: S 红外数据协会（ＩｒＤＡ）是１９９３年６月成立的一个独立组织,它为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的标准。ＩｒＤＡ的目标是制定能以合理且较小的代价实现的标准和协议,以推进红外通信的发展。; ?7 \6 @9 q9 X, {5 m& p% Z
ＩｒＤＡ数据通信按发送速率分为三大类：ＳＩＲ,ＭＩＲ和ＦＩＲ。串行红外（ＳＩＲ）速率覆盖了ＲＳ－２３２端口通常所支持的速率（９６００ ｂ／ｓ１９．２ Ｋｂ／ｓ３８．４ Ｋｂ／ｓ５７．６ Ｋｂ／ｓ１１５．２ Ｋｂ／ｓ）。ＭＩＲ指０．５７６ Ｍｂ／ｓ和１．１５２ Ｍｂ／ｓ的速率。高速红外（ＦＩＲ）通常用于指４ Ｍｂ／ｓ的速率,有时也用于指高于ＳＩＲ的所有速率。
+ G; @$ }" ^4 l1 I% I( B* e 在ＩｒＤＡ中,物理层、链路接入协议（ＩｒＬＡＰ）和链路管理协议（ＩｒＬＭＰ）是必需的三个协议层。除此之外,还有一些适用于特殊的应用模式的可选层。& {% r b; j/ O' F8 O: m
在基本的ＩｒＤＡ应用模式中,设备分为主设备和从设备。主设备探测它的可视范围,寻找从设备。然后从那些响应它的设备中选择一个,试图建立连接。在建立连接的过程中,两个设备彼此协调,按照它们共同的较高通信能力确定较后的通信速率。以上的“寻找”和“协调”过程都是在９．６Ｋｂ／ｓ的波特率下进行的。
3 S" ]; \: O, D" N ＩｒＤＡ数据通信工作在半双工模式,因为发射时,接收器会被它自己的发射器的光芒所屏蔽。通信的两个设备通过快速转向链路来模拟全双工通信,由主设备负责控制链路的时序。
" `1 }7 T) ?. E2 @* O$ H ＩｒＤＡ协议按层安排,应用程序的数据逐层下传,最终以光脉冲的形式发出。如图１所示,
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ＩｒＬＡＰ和ＩｒＬＭＰ是协议中物理层之外所需的两个软件层。在物理层上的一层是链路接入协议ＩｒＬＡＰ ,它是ＨＤＬＣ（高级数据链路控制）协议的改编,以适应红外传输的要求。ＩｒＬＡＰ层的功能是进行链路初始化、设备地址寻找和解决冲突、启动连接、数据交换、断开连接和链路关闭。ＩｒＬＡＰ指定红外数据包的帧和字节结构,以及红外通信的错误检测方法。ＩｒＬＡＰ之上的一层是链路管理协议,即ＩｒＬＭＰ,它管理ＩｒＬＡＰ所提供的链路连接中的链路功能和应用程序。它评估设备上的服务,并管理如数据速率、ＢＯＦ的数量（帧的开始）、及连接换向时间等参数的协调,以及数据的纠错传输。
: [- S( U+ _* p z9 v8 b" U ＩｒＤＡ物理层协议提出了对工作距离、工作角度（视角）光功率、数据速率和不同品牌设备互联时抗干扰能力的建议。
/ a# |% c0 D3 Q1 F5 [2 c2 导航仪中ＩｒＤＡ红外通信的设计与实现& }, g- X7 t; ~+ V' a
2.1 物理层协议的实现/ q) `+ a1 s, m
这一协议的设计保证了０～１ｍ,０°～１５°的轴线偏离角的无错通信。其中包括了调制、视角、光功率、数据速率和噪声去除的规范,以保证不同品牌和类型的设备之间的物理互连性。协议也考虑了周围的光照或其他ＩＲ噪声源的存在,以及参与ＩＲ通信的设备间的干扰。
* O2 E) f/ L. }# D 协议要求合理选择发射器的光强度和接收器的灵敏度,以保证链路能在０～１ｍ的距离内工作。数据速率小于４ Ｍｂ／ｓ时使用ＲＺＩ（归零反转）调制,较大脉冲宽度是位周期的３／１６;而４ Ｍｂ／ｓ的数据速率使用４ＰＰＭ（脉冲位置）调制。图１给出了ＩｒＤＡ物理层的方框图。7 p, Y# w3 W$ M
ＩｒＤＡ要求的ＲＺＩ（反相归零）调制的编码效果如图２的ＩＲ帧数据所示。这一方案需要的编码／解码器可以集成在Ｉ／Ｏ芯片中,也可作为一个独立元件。
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４ＰＰＭ调制如图３所示,两个数据位组合在一起,组成一个５００ｎｓ的“数据码元组”。将这一码元组分为四个１２５ｎｓ的时隙,根据码元组的状态,在不同的时隙放置单脉冲。解调器在对输入位流的相位锁定后,就能根据脉冲在５００ｎｓ周期中的位置来解出数据。
; S- y' {; Y$ x) H, s' q5 N2.2 硬件电路的设计5 Z9 x7 S+ I3 z
导航仪的核心ＭＣＵ选用Ｉｎｔｅｌ公司的ＳＡ１１１０,它的串口２是特别为ＩｒＤＡ红外通信设计的,内部集成了支持ＳＩＲ和ＦＩＲ的两个独立编码／解码模块,能够与市场上ＩｒＤＡ兼容的ＬＥＤ收发器直接相连。$ N# c, W2 R( g- K' t/ G4 N3 o
红外收发器选用ＨＰ公司的ＨＳＤＬ－３６００,它支持９．６ｋｂ／ｓ～４Ｍｂ／ｓ的数据传输速率,其典型链路传输距离可大于１．５ｍ。通过管脚ＦＩＲ＿ＳＥＬ能选择可以接收的数据速率。ＦＩＲ＿ＳＥＬ设为低时,较高速率可达１１５．２ｋｂ／ｓ;设为高时,较高速率可达４Ｍｂ／ｓ。同时,它还有两个管脚ＭＤ０和ＭＤ１,用来选择发光功率。用户可以根据自己的需要设定,达到在短距离通信情况下省电的目的。从表１所示的收发器控制真值表中,可以清楚地看到功能选择的组合。0 k: E5 b0 q9 p
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表1 收发器控制真值表
( A5 m2 Y- g$ n' O4 @; x+ D2 G9 CMD0 | MD1 | FIR_SEL | 接收功能 | 发射功能 | 1 | 0 | X | 关闭 | 关闭 | 0 | 0 | 0 | SIR | 全距离 | 0 | 1 | 0 | SIR | 2/3距离 | 1 | 1 | 0 | SIR | 1/3距离 | 0 | 0 | 1 | FIR | 全距离 | 0 | 1 | 1 | FIR | 2/3距离 | 1 | 1 | 1 | FIR | 1/3距离 |
+ _+ t7 D/ C4 S6 ~3 [9 c$ H" K/ x 图４是ＨＳＤＬ－３６００的功能方框图,它给出了ＨＳＤＬ－３６００的管脚说明及典型外围电路。其中ＣＸ１取０．４７μＦ,ＣＸ２取６．８μＦ,Ｒ１取２．５Ω。在应用时,管脚ＴＸＤ和ＲＸＤ与ＳＡ１１１０的ＴＸＤ２、ＲＸＤ２分别直接相连。而ＳＡ１１１０的３２位数据线中的三根通过锁存器接到ＭＤ０,ＭＤ１和ＦＩＲ＿ＳＥＬ上,这样就能通过软件控制ＨＳＤＬ－３６００的工作模式。- R4 n4 e/ ^# w- c
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" W) o; @6 j3 I; E* q) o; q& F; c% c9 z2.3 ＩｒＤＡ红外通信的数据流
/ n. e# ~! o9 }5 J- ^ ＳＡ１１１０的红外通信端口（ＩＣＰ）既支持ＳＩＲ,也支持ＦＩＲ。
% b. y1 t; E) W 在ＳＩＲ模式下,所有在ＴＸＤ２／ＲＸＤ２管脚和ＩＣＰ的ＵＡＲＴ之间传送的串行数据都根据ＳＩＲ ＩｒＤＡ标准调制／解调。逻辑０由一个３／１６位宽或１．６μｓ宽的光脉冲代表（１．６μｓ是较高位速率１１５．２ Ｋｂｐｓ的位宽的３／１６）。０位的开始对应脉冲的上升沿。逻辑１由无光脉冲代表。字节首先从ＬＳＢ开始发送。每帧由起始位、８位数据、停止位组成,无奇偶校验。" P/ ?. l' C3 W7 M6 c# c4 x
而在ＦＩＲ模式下,通信过程就复杂得多。所有在ＴＸＤ２／ＲＸＤ２管脚和ＩＣＰ的ＨＳＳＰ（高速串行／并行）接口之间传送的串行数据,都是根据４ＰＰＭ ＩｒＤＡ标准来调制／解制。编码时,把一个字节分为四个单独的码元组（２位一对）,最低的码元组首先传送,但每个码元组不重新排序。这样,一个字节由四个“片”（每片５００ｎｓ）组成,每个“片”分为四个时隙（每个时隙１２５ｎｓ）。
; L- u* S, A3 a; v ＩＣＰ中用高速串行／并行（ＨＳＳＰ）接口来实现特殊的４Ｍｂ／ｓ协议。４Ｍｂ／ｓ的串行帧格式如表２所示。
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表2 用于IrDA传送（4Mbps)的高速串行帧格式
3 G2 q6 {: R" N+ T- ~( l引导标志 起始标志 | 地址 | 控制（可选） | 数据 | CRC-32 | 停止标志 | | | 引导标志 ㄧ1000ㄧ0000ㄧ1010ㄧ0000ㄧ---重复16次6 ?5 c& g8 x9 G2 a2 a2 r
起始标志 ㄧ0000ㄧ1100ㄧ0000ㄧ1100ㄧ0110ㄧ0000ㄧ0110ㄧ0000ㄧ
% {$ B/ s6 ~% f停止标志 ㄧ0000ㄧ1100ㄧ0000ㄧ1100ㄧ0000ㄧ0110ㄧ0000ㄧ0110ㄧ |
" n: O4 Q2 d7 c2 o- J2 N 引导标志用于接收同步,接收开始时,使用一个串行移位寄存器从ＲＸＤ２管脚接收四个４ＰＰＭ片,一次锁存并解码这些片。如果这些片不能解码为正确的引导标志,时隙计数延迟１,并重复以上过程,直到辨认出引导标志,则标志时隙计数器同步。引导标志最少重复１６次,在空闲时（无发送数据）不断重复。所以在１６个引导标志传送完后的任何时候,都可能接收到起始标志。
4 C0 C0 R1 T6 j1 f0 K2 S1 M8 j3 _ 接收到８片长的起始标志后,将它与标准编码比较。如果起始标志的任一部分和标准编码不一样,则告知一个帧错误,并且再一次开始寻找帧引导标志。一旦正确的起始标志被验证,接下来的每组４片就被解码为一个数据字节,并放入５字节的临时ＦＩＦＯ寄存器中。当临时ＦＩＦＯ被填满后,数据值便被一个接一个地推入接收ＦＩＦＯ。
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一帧的一个数据字节是８位的地址区,它是在一对多通信时用来指定接收器的。最多允许２５５个独立地址（００００００００～１１１１１１１０）。１１１１１１１１为通用地址,用于对所有站广播信息。接收地址匹配可以激活或禁止。如果接收地址匹配激活,收到的地址将和地址匹配值比较,如果两个值相等或输入地址是通用地址,所有的数据字节,包括地址字节,都将存储在接收ＦＩＦＯ中。如果值不相符,则不把任何数据存储到接收ＦＩＦＯ,并忽略帧的余下部分,开始寻找下一个引导标志。
( C* y# i9 j" m8 T7 C 一帧的第二个数据字节可能包括一个可选的由用户定义的８位控制区,它必须由软件解码,因为在ＨＳＳＰ中它被视为普通的数据。6 D9 q- H2 v4 N2 C8 P
一帧可以包含不大于２０４７字节的任何数量的多个８位数据（包括地址和控制字节）。ＨＳＳＰ不限制一帧的大小,但选择数据长度时,应考虑到ＣＲＣ校验的能力。一般数据长度不超过ＣＲＣ校验能检测到传输中所有错误时的较大数据量。, S; i* }' \# R8 P
ＨＳＳＰ使用已确定的３２位循环冗余校验（ＣＲＣ）来检测传送中发生的位错误。ＣＲＣ数值的计算使用地址、控制和数据区,其生成多项式为：, I' @/ n! ]- @! W! f) f" d3 D3 M
ＣＲＣ（ｘ）＝ｘ３２＋ｘ２６＋ｘ２３＋ｘ２２＋ｘ１６＋ｘ１２＋ｘ１１＋ｘ１０＋ｘ８＋ｘ７＋ｘ５＋ｘ４＋ｘ２＋ｘ＋１
" c9 K0 U; C! J ＣＲＣ数值不放在接收ＦＩＦＯ中,而是放入５字节的临时ＦＩＦＯ中,并与接收时计算出的ＣＲＣ数值进行比较。
* \9 J* g$ | {/ s6 P% p, H 如果数据区中接收到两个不含脉冲（是００００）的片,则开始寻找停止标志。一旦停止标志被确认,放入接收ＦＩＦＯ的较后一个字节被标志为帧的较后字节。% p+ U) Z: L5 I* K. k' p5 T* j) _6 L
3 前景与展望
! }# V0 y, H" |& @4 ^ @+ b 随着红外通信技术的发展,其通信速率也将不断提高,在２００１年ＩｒＤＡ将推出１６Ｍｂｐｓ的甚高速红外（ＶＦＩＲ）标准。ＩｒＤＡ红外通信的作用距离也从１ｍ扩展到几十ｍ,但距离的扩展是以功耗的增加为代价的。
7 K. F- }! O0 a0 O* r+ z 对于象导航仪这样的小型设备,ＩｒＤＡ红外通信不失为一种方便、快捷的与主机交换数据的实现方案。随着ＩｒＤＡ协议在ＰＣ机、打印机、扫描仪、数字相机、局域网（ＬＡＮ）接入设备、寻呼机、蜂窝电话、医疗设施等设备上的实现,无处不在的数字化连接即将成为现实。) [/ z7 s: D) M6 C
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发表于 2019-7-22 00:09
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