高速紅外VFIR控制器的設計與實現

2.2 紅外接口控制邏輯

根據紅外接口控制寄存器控制字，紅外接口控制邏輯實現外部RX/TXFIFO與紅外收發器接口之間的數據傳輸和邏輯時序。它的工作原理如下：根據控制字，首先啟動紅外收發器接口CRC校驗、編解碼器和可編程時鐘（RX/TXFIFO讀/寫時鐘RCLK、WCLK和編解碼時鐘fclock），然后根據控制字的TX/RX位決定是接收還是發送數據。發送數據時，TXFIFO緩沖器不為空，TXFIFO的EF信號就觸發紅外接口控制邏輯發TXFIFO讀操作信號ENR#，讀取TXFIFO的數據（數據寬度32位）傳給紅外收發器接口進行CRC校驗、編碼以及并/串轉換。同理當甚高速紅外控制器接收數據時，紅外收發器接收到的數據經過譯碼、串/并轉換（數據寬度32位），然后觸發紅外接口控制邏輯發出紅外接收FIFO的寫操作信號ENW#，把接收數據寫入紅外接收FIFO。當RXFIFO寫滿后，觸發控制邏輯發出S5933 FIFO寫信號WRFIFO#，上層協議啟動PCI接口初始化S5933為同步主控寫操作實現紅外接收FIFO到主機內存的數據傳畀。另外紅外接口邏輯還實現紅外接口狀態寄存器狀態的配置，以方便上層協議了解紅外控制器工作狀態。

2.3 紅外收發器接口

紅外收發器接口的設計與實現是紅外控制器成功的關鍵。該接口需要實現各種工作模式（SIR、MIR、FIR、VFIR）的編解碼器和硬件CRC校驗、設計比較復雜。編碼器前、譯碼器后，數據都要進行硬件CRC校驗實現差錯控制。SIR模式采用RZI（歸零反轉）編碼，信號為高電平，調制為低電平；信號為低電平，調制為高電平脈沖，最大脈沖寬度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI（歸零反轉）編碼，但最大脈沖寬度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM（脈沖位置調制）調制，它的原理是被編碼的二進制數據流每兩位組合成一個數據碼元組（DBP），其占用時間Dt=500ns，再將該數據碼元組（DBP）分為4個125ns的時隙（chip），根據碼元組的狀態，在不同的時隙放置單脈沖。由于PPM通信依賴信號光脈沖在時間上的位置傳輸信息，所以解調時先保證收發雙方時隙同步、幀同步，然后根據脈沖在500ns周期中的位置解調出發送數據。考慮到紅外收發器通信距離突然變化引發脈沖寬度擴展，發生碼間干擾，導致譯碼出錯，因此根據Hiroshi Uno提出的新算法[7]簡化4PPM譯碼過程，并通過實驗驗證該算法比最大似然譯碼算法結構更簡單，功耗更低，而且更容易實現。

VFIR模式采用HHH（1，13）編解碼技術。編碼器原理：為了正確實現編碼，要求在計算內部碼字C=(c1,c2,c3)之前，在nT(T表示一個chip時間)時刻到達編碼器輸入端的輸入數據碼元組d=(d1,d2)經過3個編碼周期（每個編碼周期是3T）的延時后進行邏輯計算，得到下一狀態矢量值N=(s1,s2,s3)，即與輸入數據有關的N出現在（n+9T）時刻；再經過一個編碼周期，即（n+12T）時刻，狀態N賦給內部狀態矢量S=(s1,s2,s3)，同時計算與輸入數據碼元組d=(d1,d2)有關的內部碼字矢量C=(c1,c2,c3)，再經過一個編碼周期，內部碼字C賦給輸出碼字矢量Y=(y1,y2,y3)。由此可見16Mbps的數據速率經過編碼器變為24Mchip/s編碼速率，整個編碼過程延時5個編碼周期即15個chip。注意編碼器初始狀態S應設置為（1，0，0）。譯碼器原理：輸入數據R=(r1,r2,r3)經過鎖存器延時得到矢量Y4=(y10,y11,y12)，對Y4進行不同的延時得到Y3、Y2及Y1。這里矢量Yi是Y4的4-I次延時（由鎖存器實現延時）；對Y4進行或非運算得到Zd，再將Zd進行不同的延時得到Zc和Zb。這里Zc、Zb、Zd是變量，然后將Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd進行邏輯運算、延時分別得到矢量X1=(x1,x2)、X2=(x3,x4)、X3=(x5,x6)；最后將x1、x2經過鎖存器得到譯碼器輸出矢量值U=(u1,u2)。整個譯碼過程延時4個周期即12個chip。可見HHH（1,13）編譯碼電路比較簡單，利用FPGA基于門級描述即可實現，但必須注意鎖存器時鐘fclock=1/3fchip。VFIR模式增加線性反饋移位寄存器（LFSR）實現加擾和解擾功能提高系統性能，減少誤碼。

3 甚高速紅外VFIR控制器的軟件設計

控制器軟件主要分為三部分：系統初始化部分、接收部分、發送部分。系統初始化首先調用BIOS 1Ah中斷功能獲取設備PCI總線號、功能號、內存、I/O空間基地址和空間大小以及中斷號，然后通過直通（Pass-Thrn）方式寫控制命令初始化紅外控制器，選擇控制器接收或發送數據，設置控制器工作模式和波特率分頻數并允許控制器工作。紅外控制器具有收發雙向數據傳輸能力。編程時將S5933FIFO設置成由PCI接口初始化為同步主控方式，支持突發傳輸（DMA）；然后根據控制器收/發位判斷PCI總線主控讀還是主控寫操作。程序采用中斷控制，主程序調用set_up_pci_busmaster()初始化主控操作，該函數不僅裝載訪問內存實際地址和傳輸字節數，而且還要允許讀/寫傳輸字節數到零中斷。紅外控制器初始化完成后，系統等待中斷。中斷服務處理程序讀取S5933中斷狀態/控制寄存器INTCSR判斷中斷源，并清除中斷標志；讀取CRC校驗狀態位，判斷接收數據是否正確。發送數據時，中斷服務處理程序還要檢測紅外發送FIFO狀態位是否為1（1表示FIFO為空），不為1置發送不為發空標志tx_not_empty=1，主程序繼續等待，直到TXFIFO數據為空；同理接收數據也需要檢測紅外接口狀態寄存器的紅色接收FIFO狀態位是否為1（測試位為1表示FIFO為空）。這樣可保證接收和發送FIFO的數據完全被取走。編寫的應用程序使用Turbo C2.0調試通過。

PCI總線已經成為當今電腦的主流總線，為此根據紅外串行物理層規范IRDA-1.4設計基本PCI總線的甚高速紅外VFIR控制器。使用AMCC公司PCI總線專用控制器外加部分接口控制電路實現VFIR控制器硬件設計，縮短開發周期、提高效率、節約成本。目前正在使用VtoolsD開發虛擬驅動程序，解決系統如何分配紅外控制器配置資源、如何訪問硬件設備、如何處理硬件中斷和總線主控DMA操作以及VXD和應用程序之間的通信。另外國外已有公司推出VFIR紅外控制器專用芯片，如MKNET公司的MK7100。