IrDA紅外通信在導(dǎo)航儀中的應(yīng)用

摘要：ＩｒＤＡ紅外通信是一種低價的、適應(yīng)性廣的短距離無線通信技術(shù)。介紹ＩｒＤＡ的有關(guān)協(xié)議及實現(xiàn)方式，并給出了ＩｒＤＡ紅外通信在導(dǎo)航儀中的應(yīng)用設(shè)計實例。

關(guān)鍵詞：紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（ＩｒＤＡ） 紅外通信 高速紅外 ４ＰＰＭ調(diào)制 高速串行／并行接口

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

無線通信的好處是可以去除設(shè)備對線纜和連接器的依賴，只要通信雙方都支持ＩｒＤＡ協(xié)議，就能很快地建立通信鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)在市場上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(biāo)準件。而現(xiàn)在生產(chǎn)的ＰＣ機主板上也大都預(yù)留了紅外接口，只要選配合適的紅外收發(fā)模塊就能實現(xiàn)紅外無線數(shù)據(jù)通信?？梢姡t外技術(shù)的迅速普及，使我們能夠最終突破數(shù)字終端之間連線的限制。

1 ＩｒＤＡ及其通信協(xié)議簡介

紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（ＩｒＤＡ）是１９９３年６月成立的一個獨立組織，它為短距離紅外無線數(shù)據(jù)通信制定了一系列開放的標(biāo)準。ＩｒＤＡ的目標(biāo)是制定能以合理且較小的代價實現(xiàn)的標(biāo)準和協(xié)議，以推進紅外通信的發(fā)展。

ＩｒＤＡ數(shù)據(jù)通信按發(fā)送速率分為三大類：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，有時也用于指高于ＳＩＲ的所有速率。

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

在基本的ＩｒＤＡ應(yīng)用模式中，設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備。主設(shè)備探測它的可視范圍，尋找從設(shè)備。然后從那些響應(yīng)它的設(shè)備中選擇一個，試圖建立連接。在建立連接的過程中，兩個設(shè)備彼此協(xié)調(diào)，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(diào)”過程都是在９．６Ｋｂ／ｓ的波特率下進行的。

ＩｒＤＡ數(shù)據(jù)通信工作在半雙工模式，因為發(fā)射時，接收器會被它自己的發(fā)射器的光芒所屏蔽。通信的兩個設(shè)備通過快速轉(zhuǎn)向鏈路來模擬全雙工通信，由主設(shè)備負責(zé)控制鏈路的時序。

ＩｒＤＡ協(xié)議按層安排，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)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軟件層。在物理層上的第一層是鏈路接入?yún)f(xié)議ＩｒＬＡＰ，它是ＨＤＬＣ（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）協(xié)議的改編，以適應(yīng)紅外傳輸?shù)囊蟆＃桑颍蹋粒袑拥墓δ苁沁M行鏈路初始化、設(shè)備地址尋找和解決沖突、啟動連接、數(shù)據(jù)交換、斷開連接和鏈路關(guān)閉。ＩｒＬＡＰ指定紅外數(shù)據(jù)包的幀和字節(jié)結(jié)構(gòu)，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(yīng)用程序。它評估設(shè)備上的服務(wù)，并管理如數(shù)據(jù)速率、ＢＯＦ的數(shù)量（幀的開始）、及連接換向時間等參數(shù)的協(xié)調(diào)，以及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率和不同品牌設(shè)備互聯(lián)時抗干擾能力的建議。

2 導(dǎo)航儀中ＩｒＤＡ紅外通信的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 物理層協(xié)議的實現(xiàn)

這一協(xié)議的設(shè)計保證了０～１ｍ，０°～１５°的軸線偏離角的無錯通信。其中包括了調(diào)制、視角、光功率、數(shù)據(jù)速率和噪聲去除的規(guī)范，以保證不同品牌和類型的設(shè)備之間的物理互連性。協(xié)議也考慮了周圍的光照或其他ＩＲ噪聲源的存在，以及參與ＩＲ通信的設(shè)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(nèi)工作。數(shù)據(jù)速率小于４ Ｍｂ／ｓ時使用ＲＺＩ（歸零反轉(zhuǎn)）調(diào)制，最大脈沖寬度是位周期的３／１６；而４ Ｍｂ／ｓ的數(shù)據(jù)速率使用４ＰＰＭ（脈沖位置）調(diào)制。圖１給出了ＩｒＤＡ物理層的方框圖。

ＩｒＤＡ要求的ＲＺＩ（反相歸零）調(diào)制的編碼效果如圖２的ＩＲ?guī)瑪?shù)據(jù)所示。這一方案需要的編碼／解碼器可以集成在Ｉ／Ｏ芯片中，也可作為一個獨立元件。

４ＰＰＭ調(diào)制如圖３所示，兩個數(shù)據(jù)位組合在一起，組成一個５００ｎｓ的“數(shù)據(jù)碼元組”。將這一碼元組分為四個１２５ｎｓ的時隙，根據(jù)碼元組的狀態(tài)，在不同的時隙放置單脈沖。解調(diào)器在對輸入位流的相位鎖定后，就能根據(jù)脈沖在５００ｎｓ周期中的位置來解出數(shù)據(jù)。

2.2 硬件電路的設(shè)計

導(dǎo)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(shè)計的，內(nèi)部集成了支持ＳＩＲ和ＦＩＲ的兩個獨立編碼／解碼模塊，能夠與市場上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(shù)據(jù)傳輸速率，其典型鏈路傳輸距離可大于１．５ｍ。通過管腳ＦＩＲ＿ＳＥＬ能選擇可以接收的數(shù)據(jù)速率。ＦＩＲ＿ＳＥＬ設(shè)為低時，最高速率可達１１５．２ｋｂ／ｓ；設(shè)為高時，最高速率可達４Ｍｂ／ｓ。同時，它還有兩個管腳ＭＤ０和ＭＤ１，用來選擇發(fā)光功率。用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)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的管腳說明及典型外圍電路。其中ＣＸ１取０．４７μＦ，ＣＸ２?。叮甫蹋?，Ｒ１?。玻郸?。在應(yīng)用時，管腳ＴＸＤ和ＲＸＤ與ＳＡ１１１０的ＴＸＤ２、ＲＸＤ２分別直接相連。而ＳＡ１１１０的３２位數(shù)據(jù)線中的三根通過鎖存器接到ＭＤ０，ＭＤ１和ＦＩＲ＿ＳＥＬ上，這樣就能通過軟件控制ＨＳＤＬ－３６００的工作模式。

2.3 ＩｒＤＡ紅外通信的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都根據(jù)ＳＩＲ ＩｒＤＡ標(biāo)準調(diào)制／解調(diào)。邏輯０由一個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位的開始對應(yīng)脈沖的上升沿。邏輯１由無光脈沖代表。字節(jié)首先從ＬＳＢ開始發(fā)送。每幀由起始位、８位數(shù)據(jù)、停止位組成，無奇偶校驗。

而在ＦＩＲ模式下，通信過程就復(fù)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(shù)據(jù)，都是根據(jù)４ＰＰＭ ＩｒＤＡ標(biāo)準來調(diào)制／解制。編碼時，把一個字節(jié)分為四個單獨的碼元組（２位一對），最低的碼元組首先傳送，但每個碼元組不重新排序。這樣，一個字節(jié)由四個“片”（每片５００ｎｓ）組成，每個“片”分為四個時隙（每個時隙１２５ｎｓ）。

ＩＣＰ中用高速串行／并行（ＨＳＳＰ）接口來實現(xiàn)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(dǎo)標(biāo)志用于接收同步，接收開始時，使用一個串行移位寄存器從ＲＸＤ２管腳接收四個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(dǎo)標(biāo)志，時隙計數(shù)延遲１，并重復(fù)以上過程，直到辨認出引導(dǎo)標(biāo)志，則標(biāo)志時隙計數(shù)器同步。引導(dǎo)標(biāo)志最少重復(fù)１６次，在空閑時（無發(fā)送數(shù)據(jù)）不斷重復(fù)。所以在１６個引導(dǎo)標(biāo)志傳送完后的任何時候，都可能接收到起始標(biāo)志。

接收到８片長的起始標(biāo)志后，將它與標(biāo)準編碼比較。如果起始標(biāo)志的任一部分和標(biāo)準編碼不一樣，則告知一個幀錯誤，并且再一次開始尋找?guī)龑?dǎo)標(biāo)志。一旦正確的起始標(biāo)志被驗證，接下來的每組４片就被解碼為一個數(shù)據(jù)字節(jié)，并放入５字節(jié)的臨時ＦＩＦＯ寄存器中。當(dāng)臨時ＦＩＦＯ被填滿后，數(shù)據(jù)值便被一個接一個地推入接收ＦＩＦＯ。

一幀的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是８位的地址區(qū)，它是在一對多通信時用來指定接收器的。最多允許２５５個獨立地址（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，如果兩個值相等或輸入地址是通用地址，所有的數(shù)據(jù)字節(jié)，包括地址字節(jié)，都將存儲在接收ＦＩＦＯ中。如果值不相符，則不把任何數(shù)據(jù)存儲到接收ＦＩＦＯ，并忽略幀的余下部分，開始尋找下一個引導(dǎo)標(biāo)志。

一幀的第二個數(shù)據(jù)字節(jié)可能包括一個可選的由用戶定義的８位控制區(qū)，它必須由軟件解碼，因為在ＨＳＳＰ中它被視為普通的數(shù)據(jù)。

一幀可以包含不大于２０４７字節(jié)的任何數(shù)量的多個８位數(shù)據(jù)（包括地址和控制字節(jié)）。ＨＳＳＰ不限制一幀的大小，但選擇數(shù)據(jù)長度時，應(yīng)考慮到ＣＲＣ校驗的能力。一般數(shù)據(jù)長度不超過ＣＲＣ校驗?zāi)軝z測到傳輸中所有錯誤時的最大數(shù)據(jù)量。

ＨＳＳＰ使用已確定的３２位循環(huán)冗余校驗（ＣＲＣ）來檢測傳送中發(fā)生的位錯誤。ＣＲＣ數(shù)值的計算使用地址、控制和數(shù)據(jù)區(qū)，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(shù)值不放在接收ＦＩＦＯ中，而是放入５字節(jié)的臨時ＦＩＦＯ中，并與接收時計算出的ＣＲＣ數(shù)值進行比較。

如果數(shù)據(jù)區(qū)中接收到兩個不含脈沖（是００００）的片，則開始尋找停止標(biāo)志。一旦停止標(biāo)志被確認，放入接收ＦＩＦＯ的最后一個字節(jié)被標(biāo)志為幀的最后字節(jié)。

3 前景與展望

隨著紅外通信技術(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(biāo)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的。

對于象導(dǎo)航儀這樣的小型設(shè)備，ＩｒＤＡ紅外通信不失為一種方便、快捷的與主機交換數(shù)據(jù)的實現(xiàn)方案。隨著ＩｒＤＡ協(xié)議在ＰＣ機、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、局域網(wǎng)（ＬＡＮ）接入設(shè)備、尋呼機、蜂窩電話、醫(yī)療設(shè)施等設(shè)備上的實現(xiàn)，無處不在的數(shù)字化連接即將成為現(xiàn)實。