基于ARM920T的紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的時(shí)代，越來(lái)越多的帶紅外通信功能的嵌入式設(shè)備走進(jìn)人們的生活當(dāng)中。紅外通信是利用紅外光進(jìn)行通信的一種空間通信方式。紅外通信標(biāo)準(zhǔn)IrDA(Infrared Data Association)是目前IT和通信業(yè)普遍支持的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。盡管通信距離只有幾米，卻有很多優(yōu)勢(shì)：紅外連接比有線連接更安全可靠，并且避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修；它的小型化和低成本，很適合應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品中；并且紅外通信成本低廉，跨平臺(tái)適應(yīng)性好，傳輸速率高，適宜用于低成本、跨平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接，尤其適用于嵌入式系統(tǒng)。

1 IrDA標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

紅外標(biāo)準(zhǔn)IrDA的章程是建立通用的、低功率電源的、半雙工紅外串行數(shù)據(jù)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)、支持近距離、點(diǎn)到點(diǎn)、設(shè)備適應(yīng)性廣的用戶模式。建立該標(biāo)準(zhǔn)是在各種設(shè)備之間較容易地進(jìn)行低成本紅外通信的關(guān)鍵。

IrDA就是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的協(xié)議，用在近距離進(jìn)行異步串行傳輸。IrDA規(guī)范1.0定義了數(shù)據(jù)傳輸率最高到115.2 kb/s的紅外通信；規(guī)范1.1將數(shù)據(jù)傳輸率提高到4 Mb/s，并保持了對(duì)版本1.0產(chǎn)品的兼容； 規(guī)范1.2定義了最高速度為 115.2 kb/s下的低功耗選擇；規(guī)范1.3將這種低功耗選擇功能推廣到1.152 Mb/s和4 Mb/s[1]，規(guī)范1.4廢棄并替代了規(guī)范1.3，定義了最高速度為16 Mb/s下的低功耗選擇[2]。

2 紅外通信系統(tǒng)的總體方案

基于ARM920T的紅外通信系統(tǒng)由軟、硬件兩部分組成。硬件部分包括基于ARM920T內(nèi)核的微處理器S3C2440A及存儲(chǔ)器等硬件開發(fā)平臺(tái)和基于紅外收發(fā)器ZHX1403的紅外通信模塊兩部分；軟件部分包括紅外通信模塊驅(qū)動(dòng)程序、紅外通信應(yīng)用程序和嵌入式Linux操作系統(tǒng)三部分。

3 紅外通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件開發(fā)平臺(tái)

嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)采用S3C2440A為控制器。S3C2440A是32 bit RISC處理器，內(nèi)嵌ARM920T核。它的低功耗，簡(jiǎn)潔，美觀和全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。S3C2440A提供手持設(shè)備和低功率的一般應(yīng)用的方案，以及高性能的微控制器解決方案[3]。

S3C2440A有如下特點(diǎn)：(1)最高可達(dá)400 MHz的主頻；(2)內(nèi)部集成LCD控制器(高達(dá)4 K彩色STN和256 K色TFT)液晶顯示專用的DMA；(3)3路異步串行通信接口(支持IrDA1.0，64 B的FIFO發(fā)送和64 B的FIFO接收)；(4)IIS音頻編解碼器接口；(5)內(nèi)置看門狗定時(shí)電路及實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)；(6)內(nèi)部集成兩路USB主控制器和1路USB設(shè)備控制器(版本1.1)；(7)4路PWM定時(shí)器，1通道內(nèi)部定時(shí)器/看門狗定時(shí)器；(8)130個(gè)通用I/O端口，24通道外部中斷源；(9)8路10 bit ADC和觸摸屏接口；(10)增強(qiáng)型ARM架構(gòu)的MMU支持WinCE、嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

3.2 紅外通信模塊

ZHX1403是ZiLOG公司出品的一款專用于PDA、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、醫(yī)療電子、手持式設(shè)備的紅外收發(fā)器，且與IrDA1.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)兼容[4]。它支持所有紅外通信協(xié)議支持的SIR紅外傳輸速率，采用半雙工串行傳輸方式，并具有Always On技術(shù)，使得長(zhǎng)時(shí)間的紅外功能開啟成為可能，為紅外設(shè)備的應(yīng)用增加了更多的可能性。它具有極小巧的外型尺寸(7.3 mm×2.8 mm×1.9 mm)，應(yīng)用電路的空間也是非常小，只需要外接兩個(gè)外部元件，與其他支持IrDA標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器間的典型數(shù)據(jù)連接距離可達(dá)1 m。

ZHX1403有7個(gè)引腳，依次是NC、Vcc、GND、SD、RXD、TXD、LEDA。ZHX1403與S3C2440 處理器連接電路如圖1所示。LEDA通過(guò)一個(gè)外接的電阻接到Vcc上，給紅外管提供工作電流。ZHX1403接收數(shù)據(jù)輸出端口TXD與S3C2440A的GPH4/TXD1連接，ZHX1403發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端口RXD與S3C2440A的GPH5/RXD1。掉電模式使能控制端SD與S3C2440A的GPB0/TOUT0連接，用來(lái)將內(nèi)部的電路控制在關(guān)閉模式。ZHX1403把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPH5/RXD1傳送給S3C2440A，S3C2440A把預(yù)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)GPH4/TXD1發(fā)送給ZHX1403的TXD端口，再通過(guò)紅外收發(fā)器發(fā)射管發(fā)送。


4 紅外通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 紅外通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)包括基本協(xié)議和特定應(yīng)用領(lǐng)域的協(xié)議兩類。類似于TCP-IP協(xié)議，它是一個(gè)層式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形成一個(gè)棧，如表1所示[5]。

其中有3個(gè)基本的規(guī)范和協(xié)議，即為必要協(xié)議：(1)紅外物理層協(xié)議 IrPHY(Infrared Physical Layer)；(2)紅外連接訪問(wèn)協(xié)議層 IrLAP(Infrared Link Access Protocol)；(3)紅外連接管理協(xié)議層 IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。以上每一層的功能是為上一層提供特定的服務(wù)。其中物理層協(xié)議制定了紅外通信硬件設(shè)計(jì)上的目標(biāo)和要求，處于最底層。其他兩層屬于軟件協(xié)議的范圍，負(fù)責(zé)對(duì)鏈接進(jìn)行設(shè)置、管理和維護(hù)。

在IrLMP協(xié)議上層的協(xié)議都屬于可選的紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可用于特定應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)范和協(xié)議：(1)流傳輸協(xié)議（TinyTP）；(2)對(duì)象交換協(xié)議（IrOBEX）；(3)模擬串口層協(xié)議（IrCOMM）；(4)局域網(wǎng)訪問(wèn)協(xié)議（IrLAN）；(5)信息訪問(wèn)服務(wù)協(xié)議（IAS）。

驅(qū)動(dòng)部分是協(xié)議棧的最主要部分，包括了IrLAP、IrLMP、TinyTP、IAS、IrOBEX、IrCOMM和IrLAN等協(xié)議。IrLAP、IrLMP是兩個(gè)必選的軟件協(xié)議。物理層上的第一層為IrLAP，它的功能是支持鏈路初始化、設(shè)備地址目錄、解決沖突、創(chuàng)建連接、數(shù)據(jù)交換、接觸連接和鏈路關(guān)閉，并且規(guī)定了紅外數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)及紅外通信的錯(cuò)誤檢測(cè)方法。IrLMP提供建立在IrLAP連接上的多路復(fù)用及數(shù)據(jù)鏈路管理。TinyTP對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行流控制。IAS提供一個(gè)設(shè)備所擁有的相關(guān)服務(wù)檢索表。IrOBEX提供文件和其他數(shù)據(jù)對(duì)象的交換服務(wù)。IrCOMM使當(dāng)前的應(yīng)用能夠在IrDA平臺(tái)上使用串、并口通信，而不必進(jìn)行轉(zhuǎn)換。IrLAN能為筆記本電腦和其他設(shè)備開啟IR局域網(wǎng)通道[6]。

整個(gè)紅外協(xié)議棧比較龐大，在嵌入式系統(tǒng)中，由于微處理器的速度和存儲(chǔ)器容量的限制，沒有必要實(shí)現(xiàn)整個(gè)紅外協(xié)議棧，可以將協(xié)議棧簡(jiǎn)化，根據(jù)實(shí)際需求，有選擇地實(shí)現(xiàn)自己需要的協(xié)議和功能[7]。

4.2 紅外通信模塊驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

(1)初始化

IrDA不是單純的串口物理通信規(guī)范，而是一種網(wǎng)絡(luò)傳輸控制標(biāo)準(zhǔn)。在Linux操作系統(tǒng)下，紅外通信是作為一類特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)支持的。Linux必須按網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方法來(lái)組織紅外數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。在linux/net/irda中有紅外設(shè)備的代碼?？梢杂孟旅娴暮瘮?shù)初始化一個(gè)紅外設(shè)備：
struct net_device *alloc_irdadev(int sizeof_priv)
{
return alloc_netdev(sizeof_priv,”irda%d”,irda_device_
setup)；
}
當(dāng)內(nèi)核啟動(dòng)或加載網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)候，就會(huì)調(diào)用初始化過(guò)程。首先檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備是否存在，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)中的紅外串行接口完成，然后初始化與紅外相關(guān)的寄存器，隨后構(gòu)造設(shè)備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用檢測(cè)到的數(shù)值對(duì)device中的變量初始化。最后向Linux內(nèi)核中注冊(cè)該設(shè)備并申請(qǐng)內(nèi)存空間。

(2)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收

數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外驅(qū)動(dòng)程序中兩個(gè)最關(guān)鍵的過(guò)程[8]。首先在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載時(shí)，通過(guò)device域中的init函數(shù)指針調(diào)用紅外設(shè)備的初始化函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化。初始化成功后可以通過(guò)調(diào)用紅外設(shè)備的打開函數(shù)打開設(shè)備，申請(qǐng)紅外中斷，啟動(dòng)隊(duì)列。數(shù)據(jù)包的發(fā)送通過(guò)調(diào)用s3c2440_irda_hard_xmit函數(shù)，禁止接收，關(guān)閉中斷，將上層交付的數(shù)據(jù)幀放入到低層驅(qū)動(dòng)的緩沖區(qū)中。進(jìn)入發(fā)送模式，允許發(fā)送中斷，在中斷服務(wù)時(shí)把底層驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外接口。

數(shù)據(jù)包的接收通過(guò)中斷來(lái)完成。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，紅外設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能層就調(diào)用接收中斷處理程序，讀取URXH（串口接收緩沖寄存器）中的數(shù)據(jù)。

4.3 紅外通信程序設(shè)計(jì)

應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)編程一般利用套接字建立雙方的虛擬連接。紅外通信的Socket稱為紅外套接字（IrSock）。在Linux中，每一種協(xié)議都有自己的網(wǎng)絡(luò)地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，均以sockaddr_開頭。Linux內(nèi)核在af_irda.c文件中實(shí)現(xiàn)了IrDA套接字。定義紅外套接字如下：

struct sockaddr_irda{
sa_family_t sir_family;//協(xié)議類型，一般是AF_IRDA
_u8 sir_lsap_sel;
_u32 sir_addr;
char sir_name[25];
}

分配完套接字后，用bind綁定地址，用listen建立偵聽，等待接收客戶連接。使用send和recv與客戶端通信，最后使用closesocket關(guān)閉連接。

本文在以基于ARM920T內(nèi)核的微處理器S3C2440A為核心的嵌入式開發(fā)平臺(tái)上詳細(xì)介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)照硬件規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)下將紅外協(xié)議移植到特定的嵌入式系統(tǒng)中。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外通信系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)今后的嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有較強(qiáng)的實(shí)用性，使紅外技術(shù)能在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。