IrDA紅外通信在導航儀中的應用

摘要：ＩｒＤＡ紅外通信是一種低價(jià)的、適應性廣的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。介紹ＩｒＤＡ的有關(guān)協(xié)議及實(shí)現方式，并給出了ＩｒＤＡ紅外通信在導航儀中的應用設計實(shí)例。

關(guān)鍵詞：紅外數據協(xié)會(huì )（ＩｒＤＡ） 紅外通信 高速紅外 ４ＰＰＭ調制 高速串行／并行接口

導航儀是車(chē)載或手持的路徑引導裝置。要準確、快速、成功地實(shí)現路徑引導，必須有大量的、并能不斷更新的地理信息數據支持，這就要求它具有與其他設備通信并交換數據的功能。作為嵌入式設備的一員，可以選用的通信方案有：ＰＣＩ總線(xiàn)，ＩｒＤＡ，ＵＳＢ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＰＣ卡及一些傳統的Ｉ／Ｏ。其中可以實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的只有ＩｒＤＡ。ＩｒＤＡ１．０支持最高１１５．２Ｋｂｐｓ的通信速率，而ＩｒＤＡ１．１可以支持到４Ｍｂｐｓ。

無(wú)線(xiàn)通信的好處是可以去除設備對線(xiàn)纜和連接器的依賴(lài)，只要通信雙方都支持ＩｒＤＡ協(xié)議，就能很快地建立通信鏈路，實(shí)現數據交換。

現在市場(chǎng)上６０％的筆記本電腦都支持紅外傳輸，紅外接口也成為幾乎所有的掌上電腦的必配標準件。而現在生產(chǎn)的ＰＣ機主板上也大都預留了紅外接口，只要選配合適的紅外收發(fā)模塊就能實(shí)現紅外無(wú)線(xiàn)數據通信?？梢?jiàn)，紅外技術(shù)的迅速普及，使我們能夠最終突破數字終端之間連線(xiàn)的限制。

1 ＩｒＤＡ及其通信協(xié)議簡(jiǎn)介

紅外數據協(xié)會(huì )（ＩｒＤＡ）是１９９３年６月成立的一個(gè)獨立組織，它為短距離紅外無(wú)線(xiàn)數據通信制定了一系列開(kāi)放的標準。ＩｒＤＡ的目標是制定能以合理且較小的代價(jià)實(shí)現的標準和協(xié)議，以推進(jìn)紅外通信的發(fā)展。

ＩｒＤＡ數據通信按發(fā)送速率分為三大類(lèi)：ＳＩＲ，ＭＩＲ和ＦＩＲ。串行紅外（ＳＩＲ）速率覆蓋了ＲＳ－２３２端口通常所支持的速率（９６００ ｂ／ｓ１９．２ Ｋｂ／ｓ３８．４ Ｋｂ／ｓ５７．６ Ｋｂ／ｓ１１５．２ Ｋｂ／ｓ）。ＭＩＲ指０．５７６ Ｍｂ／ｓ和１．１５２ Ｍｂ／ｓ的速率。高速紅外（ＦＩＲ）通常用于指４ Ｍｂ／ｓ的速率，有時(shí)也用于指高于ＳＩＲ的所有速率。

在ＩｒＤＡ中，物理層、鏈路接入協(xié)議（ＩｒＬＡＰ）和鏈路管理協(xié)議（ＩｒＬＭＰ）是必需的三個(gè)協(xié)議層。除此之外，還有一些適用于特殊的應用模式的可選層。

在基本的ＩｒＤＡ應用模式中，設備分為主設備和從設備。主設備探測它的可視范圍，尋找從設備。然后從那些響應它的設備中選擇一個(gè)，試圖建立連接。在建立連接的過(guò)程中，兩個(gè)設備彼此協(xié)調，按照它們共同的最高通信能力確定最后的通信速率。以上的“尋找”和“協(xié)調”過(guò)程都是在９．６Ｋｂ／ｓ的波特率下進(jìn)行的。

ＩｒＤＡ數據通信工作在半雙工模式，因為發(fā)射時(shí)，接收器會(huì )被它自己的發(fā)射器的光芒所屏蔽。通信的兩個(gè)設備通過(guò)快速轉向鏈路來(lái)模擬全雙工通信，由主設備負責控制鏈路的時(shí)序。

ＩｒＤＡ協(xié)議按層安排，應用程序的數據逐層下傳，最終以光脈沖的形式發(fā)出。如圖１所示，ＩｒＬＡＰ和ＩｒＬＭＰ是協(xié)議中物理層之外所需的兩個(gè)軟件層。在物理層上的第一層是鏈路接入協(xié)議ＩｒＬＡＰ，它是ＨＤＬＣ（高級數據鏈路控制）協(xié)議的改編，以適應紅外傳輸的要求。ＩｒＬＡＰ層的功能是進(jìn)行鏈路初始化、設備地址尋找和解決沖突、啟動(dòng)連接、數據交換、斷開(kāi)連接和鏈路關(guān)閉。ＩｒＬＡＰ指定紅外數據包的幀和字節結構，以及紅外通信的錯誤檢測方法。ＩｒＬＡＰ之上的一層是鏈路管理協(xié)議，即ＩｒＬＭＰ，它管理ＩｒＬＡＰ所提供的鏈路連接中的鏈路功能和應用程序。它評估設備上的服務(wù)，并管理如數據速率、ＢＯＦ的數量（幀的開(kāi)始）、及連接換向時(shí)間等參數的協(xié)調，以及數據的糾錯傳輸。

ＩｒＤＡ物理層協(xié)議提出了對工作距離、工作角度（視角）光功率、數據速率和不同品牌設備互聯(lián)時(shí)抗干擾能力的建議。

2 導航儀中ＩｒＤＡ紅外通信的設計與實(shí)現

2.1 物理層協(xié)議的實(shí)現

這一協(xié)議的設計保證了０～１ｍ，０°～１５°的軸線(xiàn)偏離角的無(wú)錯通信。其中包括了調制、視角、光功率、數據速率和噪聲去除的規范，以保證不同品牌和類(lèi)型的設備之間的物理互連性。協(xié)議也考慮了周?chē)墓庹栈蚱渌桑以肼曉吹拇嬖?，以及參與ＩＲ通信的設備間的干擾。

協(xié)議要求合理選擇發(fā)射器的光強度和接收器的靈敏度，以保證鏈路能在０～１ｍ的距離內工作。數據速率小于４ Ｍｂ／ｓ時(shí)使用ＲＺＩ（歸零反轉）調制，最大脈沖寬度是位周期的３／１６；而４ Ｍｂ／ｓ的數據速率使用４ＰＰＭ（脈沖位置）調制。圖１給出了ＩｒＤＡ物理層的方框圖。

ＩｒＤＡ要求的ＲＺＩ（反相歸零）調制的編碼效果如圖２的ＩＲ幀數據所示。這一方案需要的編碼／解碼器可以集成在Ｉ／Ｏ芯片中，也可作為一個(gè)獨立元件。

４ＰＰＭ調制如圖３所示，兩個(gè)數據位組合在一起，組成一個(gè)５００ｎｓ的“數據碼元組”。將這一碼元組分為四個(gè)１２５ｎｓ的時(shí)隙，根據碼元組的狀態(tài)，在不同的時(shí)隙放置單脈沖。解調器在對輸入位流的相位鎖定后，就能根據脈沖在５００ｎｓ周期中的位置來(lái)解出數據。

2.2 硬件電路的設計

導航儀的核心ＭＣＵ選用Ｉｎｔｅｌ公司的ＳＡ１１１０，它的串口２是特別為ＩｒＤＡ紅外通信設計的，內部集成了支持ＳＩＲ和ＦＩＲ的兩個(gè)獨立編碼／解碼模塊，能夠與市場(chǎng)上ＩｒＤＡ兼容的ＬＥＤ收發(fā)器直接相連。

紅外收發(fā)器選用ＨＰ公司的ＨＳＤＬ－３６００，它支持９．６ｋｂ／ｓ～４Ｍｂ／ｓ的數據傳輸速率，其典型鏈路傳輸距離可大于１．５ｍ。通過(guò)管腳ＦＩＲ＿ＳＥＬ能選擇可以接收的數據速率。ＦＩＲ＿ＳＥＬ設為低時(shí)，最高速率可達１１５．２ｋｂ／ｓ；設為高時(shí)，最高速率可達４Ｍｂ／ｓ。同時(shí)，它還有兩個(gè)管腳ＭＤ０和ＭＤ１，用來(lái)選擇發(fā)光功率。用戶(hù)可以根據自己的需要設定，達到在短距離通信情況下省電的目的。從表１所示的收發(fā)器控制真值表中，可以清楚地看到功能選擇的組合。

表1 收發(fā)器控制真值表

圖４是ＨＳＤＬ－３６００的功能方框圖，它給出了ＨＳＤＬ－３６００的管腳說(shuō)明及典型外圍電路。其中ＣＸ１?。埃矗乏蹋?，ＣＸ２?。叮甫蹋?，Ｒ１?。玻郸?。在應用時(shí)，管腳ＴＸＤ和ＲＸＤ與ＳＡ１１１０的ＴＸＤ２、ＲＸＤ２分別直接相連。而ＳＡ１１１０的３２位數據線(xiàn)中的三根通過(guò)鎖存器接到ＭＤ０，ＭＤ１和ＦＩＲ＿ＳＥＬ上，這樣就能通過(guò)軟件控制ＨＳＤＬ－３６００的工作模式。

2.3 ＩｒＤＡ紅外通信的數據流

ＳＡ１１１０的紅外通信端口（ＩＣＰ）既支持ＳＩＲ，也支持ＦＩＲ。

在ＳＩＲ模式下，所有在ＴＸＤ２／ＲＸＤ２管腳和ＩＣＰ的ＵＡＲＴ之間傳送的串行數據都根據ＳＩＲ ＩｒＤＡ標準調制／解調。邏輯０由一個(gè)３／１６位寬或１．６μｓ寬的光脈沖代表（１．６μｓ是最高位速率１１５．２ Ｋｂｐｓ的位寬的３／１６）。０位的開(kāi)始對應脈沖的上升沿。邏輯１由無(wú)光脈沖代表。字節首先從ＬＳＢ開(kāi)始發(fā)送。每幀由起始位、８位數據、停止位組成，無(wú)奇偶校驗。

而在ＦＩＲ模式下，通信過(guò)程就復雜得多。所有在ＴＸＤ２／ＲＸＤ２管腳和ＩＣＰ的ＨＳＳＰ（高速串行／并行）接口之間傳送的串行數據，都是根據４ＰＰＭ ＩｒＤＡ標準來(lái)調制／解制。編碼時(shí)，把一個(gè)字節分為四個(gè)單獨的碼元組（２位一對），最低的碼元組首先傳送，但每個(gè)碼元組不重新排序。這樣，一個(gè)字節由四個(gè)“片”（每片５００ｎｓ）組成，每個(gè)“片”分為四個(gè)時(shí)隙（每個(gè)時(shí)隙１２５ｎｓ）。

ＩＣＰ中用高速串行／并行（ＨＳＳＰ）接口來(lái)實(shí)現特殊的４Ｍｂ／ｓ協(xié)議。４Ｍｂ／ｓ的串行幀格式如表２所示。

表2 用于IrDA傳送（4Mbps)的高速串行幀格式

引導標志用于接收同步，接收開(kāi)始時(shí)，使用一個(gè)串行移位寄存器從ＲＸＤ２管腳接收四個(gè)４ＰＰＭ片，一次鎖存并解碼這些片。如果這些片不能解碼為正確的引導標志，時(shí)隙計數延遲１，并重復以上過(guò)程，直到辨認出引導標志，則標志時(shí)隙計數器同步。引導標志最少重復１６次，在空閑時(shí)（無(wú)發(fā)送數據）不斷重復。所以在１６個(gè)引導標志傳送完后的任何時(shí)候，都可能接收到起始標志。

接收到８片長(cháng)的起始標志后，將它與標準編碼比較。如果起始標志的任一部分和標準編碼不一樣，則告知一個(gè)幀錯誤，并且再一次開(kāi)始尋找幀引導標志。一旦正確的起始標志被驗證，接下來(lái)的每組４片就被解碼為一個(gè)數據字節，并放入５字節的臨時(shí)ＦＩＦＯ寄存器中。當臨時(shí)ＦＩＦＯ被填滿(mǎn)后，數據值便被一個(gè)接一個(gè)地推入接收ＦＩＦＯ。

一幀的第一個(gè)數據字節是８位的地址區，它是在一對多通信時(shí)用來(lái)指定接收器的。最多允許２５５個(gè)獨立地址（００００００００～１１１１１１１０）。１１１１１１１１為通用地址，用于對所有站廣播信息。接收地址匹配可以激活或禁止。如果接收地址匹配激活，收到的地址將和地址匹配值比較，如果兩個(gè)值相等或輸入地址是通用地址，所有的數據字節，包括地址字節，都將存儲在接收ＦＩＦＯ中。如果值不相符，則不把任何數據存儲到接收ＦＩＦＯ，并忽略幀的余下部分，開(kāi)始尋找下一個(gè)引導標志。

一幀的第二個(gè)數據字節可能包括一個(gè)可選的由用戶(hù)定義的８位控制區，它必須由軟件解碼，因為在ＨＳＳＰ中它被視為普通的數據。

一幀可以包含不大于２０４７字節的任何數量的多個(gè)８位數據（包括地址和控制字節）。ＨＳＳＰ不限制一幀的大小，但選擇數據長(cháng)度時(shí)，應考慮到ＣＲＣ校驗的能力。一般數據長(cháng)度不超過(guò)ＣＲＣ校驗能檢測到傳輸中所有錯誤時(shí)的最大數據量。

ＨＳＳＰ使用已確定的３２位循環(huán)冗余校驗（ＣＲＣ）來(lái)檢測傳送中發(fā)生的位錯誤。ＣＲＣ數值的計算使用地址、控制和數據區，其生成多項式為：

ＣＲＣ（ｘ）＝ｘ３２＋ｘ２６＋ｘ２３＋ｘ２２＋ｘ１６＋ｘ１２＋ｘ１１＋ｘ１０＋ｘ８＋ｘ７＋ｘ５＋ｘ４＋ｘ２＋ｘ＋１

ＣＲＣ數值不放在接收ＦＩＦＯ中，而是放入５字節的臨時(shí)ＦＩＦＯ中，并與接收時(shí)計算出的ＣＲＣ數值進(jìn)行比較。

如果數據區中接收到兩個(gè)不含脈沖（是００００）的片，則開(kāi)始尋找停止標志。一旦停止標志被確認，放入接收ＦＩＦＯ的最后一個(gè)字節被標志為幀的最后字節。

3 前景與展望

隨著(zhù)紅外通信技術(shù)的發(fā)展，其通信速率也將不斷提高，在２００１年ＩｒＤＡ將推出１６Ｍｂｐｓ的甚高速紅外（ＶＦＩＲ）標準。ＩｒＤＡ紅外通信的作用距離也從１ｍ擴展到幾十ｍ，但距離的擴展是以功耗的增加為代價(jià)的。

對于象導航儀這樣的小型設備，ＩｒＤＡ紅外通信不失為一種方便、快捷的與主機交換數據的實(shí)現方案。隨著(zhù)ＩｒＤＡ協(xié)議在ＰＣ機、打印機、掃描儀、數字相機、局域網(wǎng)（ＬＡＮ）接入設備、尋呼機、蜂窩電話(huà)、醫療設施等設備上的實(shí)現，無(wú)處不在的數字化連接即將成為現實(shí)。