IrDA红外通信在导航仪中的应用

    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。

    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

    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支持最高１１５．２Ｋｂｐｓ的通信速率，而ＩｒＤＡ１．１可以支持到４Ｍｂｐｓ。

    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。

    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。

1 ＩｒＤＡ及其通信协议简介

    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。

    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／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。

    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。

    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，按照它们共同的最高通信能力确定最后的通信速率。以上的“寻找”和“协调”过程都是在９．６Ｋｂ／ｓ的波特率下进行的。

    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。

    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，ＩｒＬＡＰ和ＩｒＬＭＰ是协议中物理层之外所需的两个软件层。在物理层上的第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。

    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。

2 导航仪中ＩｒＤＡ红外通信的设计与实现

2.1 物理层协议的实现

    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。

    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，最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。

    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。

    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。

2.2 硬件电路的设计

    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。

    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，最高速率可达１１５．２ｋｂ／ｓ；设为高时，最高速率可达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。

表1 收发器控制真值表

    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。

2.3 ＩｒＤＡ红外通信的数据流

    ＳＡ１１１０的红外通信端口（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是最高位速率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。

    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）。

    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。

表2 用于IrDA传送（4Mbps)的高速串行帧格式

    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。

    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。

    一帧的第一个数据字节是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。

    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。

    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最大数据量。

    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：

    ＣＲＣ（ｘ）＝ｘ

    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。

    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的最后一个字节被标志为帧的最后字节。

3 前景与展望

    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。