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的、適應性廣的短距離無線通信技術。介紹ＩｒＤＡ的有關協議及實現方式，并給出了ＩｒＤＡ紅外通信在導航儀中的應用設計實例。

關鍵詞：紅外數據協會（ＩｒＤＡ） 紅外通信 高速紅外 ４ＰＰＭ調制 高速串行／并行接口

導航儀是車載或手持的路徑引導裝置。要準確、快速、成功地實現路徑引導，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，ＩｒＤＡ，ＵＳＢ，Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，ＰＣ卡及一些傳統的Ｉ／Ｏ。其中可以實現無線通信的只有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備對線纜和連接器的依賴，只要通信雙方都支持ＩｒＤＡ協議，就能很快地建立通信鏈路，實現數據交換。

現在市場上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準件。而現在生產的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模塊就能實現紅外無線數據通信。可見，紅外技術的迅速普及，使我們能夠最終突破數字終端之間連線的限制。

1 ＩｒＤＡ及其通信協議簡介

紅外數據協會（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據通信制定了一系列開放的標準。ＩｒＤＡ的目標是制定能以合理且較小的代價實現的標準和協議，以推進紅外通信的發展。

ＩｒＤＡ數據通信按發送速率分為三大類：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、鏈路接入協議（ＩｒＬＡＰ）和鏈路管理協議（ＩｒＬＭＰ）是必需的三個協議層。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，試圖建立連接。在建立連接的過程中，兩個設備彼此協調，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“協調”過程都是在９．６Ｋｂ／ｓ的波特率下進行的。

ＩｒＤＡ數據通信工作在半雙工模式，因為發射時，接收器會被它自己的發射器的光芒所屏蔽。通信的兩個設備通過快速轉向鏈路來模擬全雙工通信，由主設備負責控制鏈路的時序。

ＩｒＤＡ協議按層安排，應用程序的數據逐層下傳，最終以光脈沖的形式發出。如圖１所示，ＩｒＬＡＰ和ＩｒＬＭＰ是協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協議ＩｒＬＡＰ，它是ＨＤＬＣ（高級數據鏈路控制）協議的改編，以適應紅外傳輸的要求。ＩｒＬＡＰ層的功能是進行鏈路初始化、設備地址尋找和解決沖突、啟動連接、數據交換、斷開連接和鏈路關閉。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，并管理如數據速率、ＢＯＦ的數量（幀的開始）、及連接換向時間等參數的協調，以及數據的糾錯傳輸。

ＩｒＤＡ物理層協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時抗干擾能力的建議。

2 導航儀中ＩｒＤＡ紅外通信的設計與實現

2.1 物理層協議的實現

這一協議的設計保證了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型的設備之間的物理互連性。協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通信的設備間的干擾。

協議要求合理選擇發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，也可作為一個獨立元件。

４ＰＰＭ調制如圖３所示，兩個數據位組合在一起，組成一個５００ｎｓ的“數據碼元組”。將這一碼元組分為四個１２５ｎｓ的時隙，根據碼元組的狀態，在不同的時隙放置單脈沖。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的兩個獨立編碼／解碼模塊，能夠與市場上ＩｒＤＡ兼容的ＬＥＤ收發器直接相連。

紅外收發器選用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。通過管腳ＦＩＲ＿ＳＥＬ能選擇可以接收的數據速率。ＦＩＲ＿ＳＥＬ設為低時，最高速率可達１１５．２ｋｂ／ｓ；設為高時，最高速率可達４Ｍｂ／ｓ。同時，它還有兩個管腳ＭＤ０和ＭＤ１，用來選擇發光功率。用戶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取６．８μＦ，Ｒ１取２．５Ω。在應用時，管腳ＴＸＤ和ＲＸＤ與ＳＡ１１１０的ＴＸＤ２、ＲＸＤ２分別直接相連。而ＳＡ１１１０的３２位數據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位的開始對應脈沖的上升沿。邏輯１由無光脈沖代表。字節首先從ＬＳＢ開始發送。每幀由起始位、８位數據、停止位組成，無奇偶校驗。

而在ＦＩＲ模式下，通信過程就復雜得多。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標準來調制／解制。編碼時，把一個字節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）接口來實現特殊的４Ｍｂ／ｓ協議。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標志，時隙計數延遲１，并重復以上過程，直到辨認出引導標志，則標志時隙計數器同步。引導標志最少重復１６次，在空閑時（無發送數據）不斷重復。所以在１６個引導標志傳送完后的任何時候，都可能接收到起始標志。

接收到８片長的起始標志后，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，則告知一個幀錯誤，并且再一次開始尋找幀引導標志。一旦正確的起始標志被驗證，接下來的每組４片就被解碼為一個數據字節，并放入５字節的臨時ＦＩＦＯ寄存器中。當臨時ＦＩＦＯ被填滿后，數據值便被一個接一個地推入接收ＦＩＦＯ。

一幀的第一個數據字節是８位的地址區，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，開始尋找下一個引導標志。

一幀的第二個數據字節可能包括一個可選的由用戶定義的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，但選擇數據長度時，應考慮到ＣＲＣ校驗的能力。一般數據長度不超過ＣＲＣ校驗能檢測到傳輸中所有錯誤時的最大數據量。

ＨＳＳＰ使用已確定的３２位循環冗余校驗（ＣＲＣ）來檢測傳送中發生的位錯誤。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ＦＩＦＯ中，并與接收時計算出的ＣＲＣ數值進行比較。

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

3 前景與展望

隨著紅外通信技術的發展，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現方案。隨著ＩｒＤＡ協議在ＰＣ機、打印機、掃描儀、數字相機、局域網（ＬＡＮ）接入設備、尋呼機、蜂窩電話、醫療設施等設備上的實現，無處不在的數字化連接即將成為現實。