红外通信协议发表评论(0)编辑词条

红外通信协议

基于红外线的传输技术最近几年有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且它的使用不受国家无线管理委员会的限制。但是，红外线对非透明物体的透过性较差，导致传输距离受限制。

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，其频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼眼看不到的光线。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接线数据传输。为了使各种设备能够通过一个红外接口进行通信，红外数据协议（InfraredDataAssociation，简称IRDA）发布了一个关于红外的统一的软硬件规范，也就是红外数据通讯标准。

红外数据通讯标准包括基本协议和特定应用领域的协议两类。类似于TCP-IP协议，它是一个层式结构，其结构形成一个栈，如图1所示。

其中基本的协议有三个：①物理层协议（IrPHY），制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，包括红外的光特性、数据编码、各种波特率下帧的包括格式等。为达到兼容，硬件平台以及硬件接口设计必须符合红外协议制定的规范。②连接建立协议（IrLAP）层制定了底层连接建立的过程规范，描述了建立一个基本可靠连接的过程和要求。③连接管理协议（IrLMP）层制定了在单位个IrLAP连接的基础上复用多个服务和应用的规范。在IrLMP协议上层的协议都属于特定应用领域的规范和协议。④流传输协议（TingTP）在传输数据时进行流控制。制定把数据进行拆分、重组、重传等的机制。⑤对象交换协议（IrOBEX）制定了文件和其他数据对象传输时的数据格式。⑥模拟串口层协议（IrCOMM）允许已存在的使用串口通信的应用象使用串口那样使用红外进行通信。⑦局域网访问协议（IrLAN）允许通过红外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设备，实际远程摇控等功能。

整个红外协议栈比较庞大复杂，在嵌入式系统中，由于微处理器速度和存储器容量等限制，不可能也没必要实现整个的红外协议栈。一个典型的例子就是TinyTP协议中数据的拆分和重组。它采用了信用片（creditcard）机制，这极大地增加了代码设计的复杂性，而实际在红外通信中一般不会有太大数据量的传输，尤其在嵌入式系统中完全可以考虑将数据放入单个数据包进行传输，用超时和重发机制保证传输的可靠性。因此可以将协议栈简化，根据实际需求，有选择地实现自己需要的协议和功能即可。

包括三个基本的规范和协议：

物理层规范(PhysicalLayerLinkSpecification)、链接建立协议(LinkAccessProtocol:IrLAP)和链接管理协议（LinkManagementProtocol:IrLMP)。

物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对链接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IRDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。

单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口，如图1所示。

红外发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管T1和T2、红外发射管D1和D2等部分。其中脉冲振荡器由NE555定时器、电阻（R1、R2）和电容（C1、C2）组成，用以产生38kHz的脉冲序列作为载波信号；红外发射管D1和D2选用Vishay公司生产的TSAL6238，用来向外发射950nm的红外光束。

红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动T1管，数位“0”使T1管导通，通过T2管调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使T1管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光。若传送的波特率设为1200bps，则每个数位“0”对应32个载波脉冲调制信号的时序，如图2所

红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1738。该接收模块是一个三端元件，使用单电源+5V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长（950nm以外）的红外光不敏感的特点，其内部结构框图如图3所示。

通信方式

考虑到红外光反射的原因，在全双工方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此红外通信需采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。

通信协议

进行红外通信之前，通信双方首先要根据系统的功能要求制订某种特定的通信协议，然后才能编写相应的通信程序。

爱可信发布新红外协议支持4Mbps红外通讯

无线数据业务解决方案提供商爱可信公司（ACCESS，东京股票交易所4813）发布IrDA红外通信协议栈的最新版本IrFrontv2.1。

IrFrontv2.1将使普通红外通信速度提升4至10倍，能够处理大量的手机数据。2005年10月推出支持4Mbps的IrFront版本，而支持高速红外通信IrSimple*国际协议的版本也于2006年1月面市。

爱可信总裁兼首席执行官ToruArakawa说：“新版IrFront能够提供高速、大数量的红外通信能力。诸如IrFront这类高速红外解决方案，为当今网络世界的设备互联和信息互通了提供新的方式，必能为未来生活带来创新。”

IrFront是一个针对手机及其他资源有限的嵌入设备的精简的IrDA通信协议栈。IrFront由爱可信公司开发，完全符合IrDA*红外通信协议规范。除了支持标准的IrCOMM、IrTran-P，IrFront还提供丰富的可选性能，包括用于红外金融服务的IrFM功能，及各种配置的OBEX以及其它选项，如可以用于交换地址薄、Email和其它数据的IrMC。迄今为止，已有超过6家手机制造商在他们的手机产品中采用了IrFront；在NTTDoCoMo，IrFront被大规模用于i-mode手机。IrFront还大量应用于各种打印机，如富士胶片公司生产的手提打印机。IrFront还可以通过无网络连接设备的红外功能，使之接入互联网。

IrFrontv2.1主要基于IrSimple开发，IrSimple是用红外技术实现高速通信、并通过简单和标准化的模块降低客户开发成本的国际协议。IrSimple可以实现静态图像和视频影像从手机到打印机或电视的瞬时传送。

IrFrontv2.1在日本罗姆（ROHM）有限公司的红外发射/接受控制器(BU92002GU和BU92004GU)上经过了测试。IrFrontv2.1能够稳定运行在这些标准芯片上，并提供了可降低CPU功耗、支持大数据量交换的接口。

  
采用Sitronix公司的ST2204电路板为硬件平台，处理芯片内核为65C02。ST2204电路板使用了集成的8位处理器，寻址能力达到了44M字节，并提供了低电压检测功能。由于2204集成了上述这些功能，非常适合省电、支持长电池寿命的手持移动设备嵌入式设计实现方案。在固件设计、软件设计方面采用了汇编语言。65C02上的汇编采用存储器映象方式，并广泛使用了零页寻址，因此使用起来十分方便、高效。整个设计实现可分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计包括电路设计和固件程序（Firmware）的编写；软件设计包括CRC数据编码校验、数据收发及主站（Primary）、辅站（Slave）状态要流程实现等。

在硬件设计方面根据对设备的需求和硬件板芯片性能，可以设计出相应的电路在仿真板上进行实验。固件程序和编写可采用分块的方法，例如初始化（Initilize）模块、中断处理（Interrupt）模块、时钟（Timer）事件处理模块等。初始化模块可根据硬件板的指南说明（Specification）提供的各个寄存器值设备初始化参数；中断处理模块可按照中断向量表提供的入口地址编写，其基本要求短小精悍，运行的时钟周期与微处理器频率和设备需求的波特率紧密相关。时钟事情处理可根据硬件板提供的基本时钟设备不同的时钟精度，以满足不同的需求。在红外传输实际设计中定时器主要用于三个方向：第一是sniff探查过程中主站发广播帧后辅站超时未响应的处理；第二是超时重发控制；最后一个是数据传输过程中轮转时间片的控制。其中第三个方面要求的精度比较高，红外协议制定的标准是在25ms～85ms之间。因此有必要把超时处理放在中断处理。在程序编写时使用信号量和程序计数器进行时间控制。其基本思路得设备一个程序计数器进行累加计时，当各自事情时间到达时分别设置三个信号量来标志事件处理，当事件处理完毕后重置各自信号量，转入重新计时。

在软件设计方面，要对发送的数据进行帧包装（FrameWrapper），添加CRC16校验，用汇编实现CRC算法比C稍微复杂些。一个主要的技巧是将要进行校验的数据地址和CRC数据表的索引地址置入一个零页的内存地址中，采用通用寄存器对其进行间接寻址。这样就实现了C语言中的指针效果，可以比较方便地查询CRC表。在数据收发应用中，分为主站（Primarystation）和辅站（slavestation）两种角度。主站角度负责发起，建立连接，进行时间片轮转调度等。辅站主要负责应答，响应命令。在一定条件下主站辅站角度可以互换，主辅站均可收发数据。
收发数据的中断函数最重要也是底层的核心所在。在接收方首先公进行硬件初始化，设置UART接收初始化状态并进行中断允许标志设置（具体设置可以参考所选择的电路板说明）等。当红外数据到达后即会触发一个UART中断，系统处理完当前事件后便会根据中断向量表提供的入口地址调用接收中断处理接收数据。在接收过程中，UART会搜索匹配开始位和结束标志。接收完毕后，返回系统调用程序。在实际应用中，当接收完数据后，即可按装收帧控制域判断帧类型，并结合接收站所处的相应状态机进行流程处理。下面是红外接收数据的中断程序源码：

/*******************************************

*UARTReceiverInterruptServiceRoutine

********************************************/

ISR_URX:

pha

phx；压栈，保存通用寄存器值

cld；清空十进制标志位

ldx#00001100B；允许接收，并设置可以接收下一字节

stx< P>

ldxmBagLen

cpx#IrDAb_BAG_LEN;一个包的长度

bcsferr_over;溢出否

lda< P>

stamReadBuff,x;写数据

lda< P>

stamIrdaByteFlag;保存状态标志位

incmBagLen;计数器

bra?exit

?err_over;

smb0< P>

?exit;

plx;出栈，恢复通用寄存器值

pla

rti

该中断处理程序在硬件收到一个字节时触发。它先将通用寄存器值压栈保存，接下来进行状态寄存器的控制，并检查一些状态标志，然后进行数据的接收；将数据保存在一个缓存里，并进行溢出等状态的检测和控制。最后恢复通用寄存器的值，返回中断调节函数。按照类似的原理可以编写出红外发送方程序。编写数据收发中断程序有一点要注意，程序代码量和处理器主频以及选择的红外波特速率是密切相关的。若不注意就很容易造成“丢中断”的现象，这是应该避免的。还有一点要说明：UART是工作在半双工模式下，在一些实时系统和时间精度要求较高的应用中是不能同时进行收发数据的。但由于其收发时间片较短（最长为500ms），在一些普通应用中可以模拟成同时收发。

在程序编写完后对其进行编译/连接定位，用调试器以16进制的形式加载在主机开发系统中即可进行模拟调试。但是模拟调式不能百分之百地模拟硬件的全部特性。它主要用于调试软件逻辑、状态机流程。对于调试UART数据收发等实时性较强的硬件特征还需到目标系统上进行验证。

作者：解放军理工大学刘荣何敏　日期：2005-6-1

摘要：红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。目前大多数作为采样数据的终端希望通过串口或红外接口与移动设备（如掌上电脑等）进行通信。和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。在笔记本电脑，手机，PDA和数码相机上的红外传输均采用红外数据传输。本文介绍了红外数据通信实现的原理，标准和方法。以实现和PDA（奥克码—桑夏PPC2188型）的红外数据通信为例介绍了该模块的实现原理和方法。
关键词：IrDA；红外通信；PDA

---传统的红外通信设备主要是指红外遥控器和早期的PDA中采用的38kHz红外调制和解调方式。这种方式实现简单，但是误码率较高，不适合进行数据传输，特别是数据量大的时候。为此，IrDA组织(InfraredDataAssociation)规定了红外数据传输的标准IrDA，它规定了通过红外设备进行无线传输的方法。1994年，第一个IrDA的红外数据通信标准发布，即IrDA1.0。IrDA规范包含两个设备之间通信的标准以及与其他设备进行通信的协议。IrDA标准包含设备之间通信数据的格式以及与其他设备进行通信的协议。目前符合IrDA的设备有：笔记本电脑，手机，掌上电脑，数码相机等。Linux操作系统支持IrDA。目前，很多公司根据该标准生产了各种用于红外数据传输的芯片，如HP公司生产的HSDL-1000、HSDL-4230、HSDL-4220和HSDL-7000，Zilog生产的ZHX1010、ZHX1210、ZHX1810、ZHX1820。在桑夏公司的奥克码—桑夏PPC2188型PDA上采用的就是ZHX1810芯片。下面分别介绍传统的红外通信和红外数据通信的实现原理和方法。

红外通信协议

1传统的红外通信
---1．1原理
---传统的红外设备传输数据时，可以采用38kHz的载波进行调制和解调。采用调幅的方式对数据进行调制，通过发光二极管将数据发送出去；采用专门的解调芯片接受红外发送来的数据。
---1．2实现方法
---在终端上实现数据的红外通信中，采用了图1中的电路图。

其中IFR_CLK输出频率为38kHz的方波，TXD为待发送的数据，两个信号通过有MC9013组成的电路进行调制，通过TSAL6200调制过的信号发送出去；
---SFH5110—38为载波为38kHz的解调芯片，接受外部来的信号，将解调后的数据送到RXD；
---在终端中，采用了以上的电路和单片机进行连接，就可以实现传统的载波（38kHz）调制解调的红外通信。其中TXD和RXD分别接在单片机的串口的发送端和接受端，IFR_CLK接在一般的IO口上。
---在单片机的软件实现中，最主要的是在需要发送数据的时候用定时器在IFR_CLK口线上产生38kHz的方波。在这里，串口的速率一般较低。

---1．3缺点
---（1）采用调幅进行传输，抗干扰能力差；
---（2）在发送数据时，输出的功率一定时，用于信号传输的功率小，接收到的数据的信噪比小，容易误判数据；
---（3）受到输出功率的影响，数据传输的距离短,速度慢；
---（4）受到传输速率的影响，传输的数据量不能太大；
---（5）由于没有相应的协议支持，将接收到的所有数据（包括正常的数据和干扰引起的非正常数据）送到RXD。

2红外数据通信
---2．1红外数据通信的速率和物理层的数据帧格式
---在红外数据传输中，对串口发送的数据采用脉冲进行调制的方式。在IrDA标准1.0中，脉冲的宽度为3/16的BIT占空比或者为固定的1.63μs的脉冲宽度。IrDA1.0简称为SIR，以系统的异步通信收发器(UART)为依托，由于受到UART通信速率的限制，SIR的最高通信速率只有115.2Kbps，也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。在图2中给出了脉冲调制前的异步串口UART的数据帧格式和进行脉冲调制后的红外IR帧格式，其中，红外脉冲调制中的没有脉冲代表UART中的“1”，红外脉冲调制中有脉冲代表UART中的“0”；在没有串口数据传送时，红外数据帧中没有脉冲。

红外通信协议

---1996年，颁布了IrDA标准1.1，即快速红外通信，简称为FIR。与SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通信速率有了质的飞跃，可达到4Mbps的水平。FIR采用了全新的4PPM调制解调(PulsePositionModulation)，即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信息，其通信原理与SIR是截然不同的，但由于FIR在115.2Kbps以下的速率依旧采用SIR的那种编码解码过程，所以它仍可以与支持SIR的低速设备进行通信，只有在通信对方也支持FIR时，才将通信速率提升到更高水平。对4Mbps的速率，需要使用1/4的脉冲的相位进行调制（即所谓的4PPM调制），利用脉冲四个不同的相位（位置）的一个脉冲对两个BIT进行编码。因此，前面利用脉冲有无进行调制，这里利用脉冲及脉冲的位置确定调制和解调的信号。例如，两个BIT00调制为1000(一个BIT，其中第一个1/4BIT时间有脉冲，其他3/4时间无脉冲)，两个BIT01调制为0100(一个BIT，其中第二个1/4BIT时间有脉冲，其他3/4时间无脉冲)。这样，用4个脉冲就可以传输一个字节的数据量。

在和终端进行通信的设备中，数据的传输通常以系统的异步通信收发器(UART)为依托，我们只需要采用符合IrDA标准1.0的红外器件。目前，红外数据传输芯片包括两种，一种以HP公司HSDL-1000芯片为代表，HSDL-1000的一端输入为符合IrDA1.0标准的红外数据，一端为异步通信(UART)数据，可以直接用在终端中作为UART和红外数据的转换器。另外一种以Zilog生产的ZHX1810为代表，只是将红外信号转换为电信号，或将电信号转换为红外信号的红外收发器件，这种芯片在终端设备中需要应用时，需要将脉冲转换为异步通信的数据，或将异步通信的数据转换为脉冲信号方可使用。
---2．2采用脉冲进行调制的原因
---红外接收器需要一种方式来区分周围的干扰,噪声和信号。为了这个目的，通常利用尽可能高的输出功率:高的功率表示在接收器中的大电流，有好的信噪比。然而,IR-LED（红外灯）不可能在全部的时间连续的以高功率进行数据的发送。因此,使用每个BIT只有3/16或1/4脉冲宽度的信号进行传输。这样，输出的功率可以达到IR-LED（红外灯）连续闪烁的最大功率的4～5倍。另外,传输的途径不会携带直流成分(由于接收器连续的适应周围的环境,只检测环境变化),这样必须利用脉冲调制。
---2．3红外数据通信的协议
---在红外数据通信中，很容易受到外界的干扰，只有符合一定格式的数据才是正确的数据。为此，IrDA标准指定三个基本的规范和协议，包括：物理层规范(PhysicalLayerLinkSpecification)，连接建立协议(LinkAccessProtocol:IrLAP)和连接管理协议（LinkManagementProtocol:IrLMP)。物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。它们之间的关系如图3所示。

红外通信协议

---奥克码—桑夏PPC2188型PDA的操作系统为桑夏2000操作系统，该操作系统为嵌入式的中文操作系统，其中有支持红外通信的IrDA红外通信协议栈。终端需要和PDA进行红外通信的时候，也需要有支持红外通信的IrDA红外通信协议栈。有了支持红外通信的IrDA红外通信协议栈，终端不仅可以和PDA进行通信，也可以同带有红外通信口的笔记本电脑、手机、掌上电脑、数码相机等进行红外通信。

3实现终端与PDA的红外通信
---在终端设备中，要实现和PDA的红外通信，除了要实现将红外数据转换为UART数据，还需要编制IrLAP和IrLMP层的协议。为了降低成本，我们直接采用了红外收发器件ZiLOG生产的红外收发器作为物理层的部分器件，而将脉冲和UART之间的数据转换用软件来实现。目前，实现了以下的硬件和软件的研制和测试，这种终端与PDA的红外通信是可靠的。
---3．1ZHX1810

红外通信协议

---ZiLOG为OEM客户和最终用户提供了完整的红外数据收发方案。ZiLOG的红外收发器被广泛的应用于各种PDA产品，移动电话以及相关领域中。
---最新公布的几款红外收发器ZHX1403，ZHX3403，以及ZHX1203，他们都具有极小巧的外型尺寸，ZiLOG称之为Ultraslim结构。此外ZHX1403和ZHX3403还具有AlwaysOn技术，使得长时间的红外功能开启成为了可能，这无疑为红外设备的应用增加了更多的可能性。
---在本系统的设计中，采用了ZiLOG的ZHX1810。由于红外收发器也可以接收到自己发出的数据，实现的红外数
据通信是半双工的。
---在图4中给出了ZHX1810的内部结构。
---LEDA：通过一个外接的电阻接到电源上，给LED提供电流。
---TXD：用来传输串行数据。通过一个电阻接到地上，当关闭模式时处于开路状态。
---RXD：用来接收串行数据（在关闭模式时处于三态），不需要外接电阻。
---SD：用来将内部的电路控制在关闭模式。
---在Vcc和GND之间接一个0.33μF的电容。
---3.2硬件组成
---为了使终端的功能和红外通信之间相对独立，我们利用了单独的单片机AT89C2051实现红外协议栈中的相关协议。AT89C2051接收到TXD发来的数据，进行处理之后将UART数据转换为对应的脉冲数据，通过ZHX1810发送出去；AT89C2051接收到ZHX1810发送来的脉冲数据，根据IrDA的相关协议栈进行解释后，将数据通过RXD以UART数据形式发送出去。从而实现红外通信。
---图5中的硬件电路是实现红外通信的最低硬件配置。如果需要适应不同的波特率，需要在硬件图中加跳线来识别。如果需要实现完整的IrDA协议栈，需要在电路中加上IIC总线的存储单元；或者采用带有数据总线和地址总线的单片机，加上RAM（如HM6116）来实现。
---在这里，由于桑夏公司的奥克码—桑夏PPC2188型PDA可以跳过IrDA协议栈中的连接建立协议层和连接管理协议层，只需要实现物理层的部分功能，终端采用如下的电路图就可以实现和奥克码—桑夏系列的PDA之间的红外通信。

---3．3软件实现的功能和流程
---软件实现的功能如下。
---软件的编写是终端和PDA进行红外通信的重点，考虑到软件的可移植性和程序执行的速度，采用了C语言进行编写，主要需要实现的功能如下：
---（1）根据跳线识别不同的波特率，支持的波特率的传输范围为1200bps～57600bps；
---（2）由于设置红外默认的状态为接收状态；
---（3）物理层判断红外口有无接收到脉冲数据，将接收到的脉冲进行解释后送到红外数据接收缓存区；
---（4）实现连接建立协议层IrLAP，和PDA建立连接；注意，这种建立的连接是单工的，只有在该次通信完成时才建立下次的连接；
---（5）实现连接管理协议层IrLMP的功能；
---（6）将从红外接收的数据通过RXD送到终端的异步串口接收端；
---（7）从终端的异步串口发送端接收数据，根据IrDA协议栈，和PDA建立连接后，将从终端接收到的数据通过红外发送到PDA；
---在软件的实现中，对终端的数据传输而言，数据是进行半双工的透明的传输。
---软件的流程如图6所示。

4总结
---为了便于将这样的模块应用于各种带有红外的移动终端设备的红外数据通信，我们采用了单独的MCU来实现串口数据和红外数据之间的转换。由于波特率的传输范围为1200～57600bps，我们只实现了目前广泛使用的SIR标准通信。该模块已经应用在和PDA红外通信的电路中，性能稳定。

参考文献
1何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社，1998
2InfraredDataAssociationSerialInfraredPhysicalLayerSpecification
3ZHX1810SlimLine(tm)SIRTransceiver