IrDA紅外通信器件應(yīng)空調(diào)器檢測線上的應(yīng)用

摘要：實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通訊有多種方式，當(dāng)前流行的主要是藍(lán)牙技術(shù)和紅外通信技術(shù)。IrDA紅外通信是一種低價(jià)的、適應(yīng)性廣的短距離無線通訊技術(shù)。文章介紹了IrDA的關(guān)協(xié)議、實(shí)現(xiàn)方法以及在連續(xù)檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IrDA 無線通信 數(shù)據(jù)采集 在線檢測

空調(diào)器在生產(chǎn)線裝配完成后，都要上檢測線檢測致冷、致熱功能的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，這些主要的檢測項(xiàng)目有溫度、壓力、電耗等?？照{(diào)器在檢測線上是邊前進(jìn)邊檢測，每一空調(diào)器在空運(yùn)行、制冷、制熱一定時(shí)間后都要在設(shè)定的位置將運(yùn)行的溫度、壓力、電耗等檢測數(shù)據(jù)以及空調(diào)器的產(chǎn)品序號在行進(jìn)中通過無線通信方式傳送給數(shù)據(jù)管理主計(jì)算機(jī)。由于空調(diào)器的生產(chǎn)量很大、因而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也很大，這就要求檢測線上的隨行自動(dòng)檢測裝置能夠準(zhǔn)確、快速、成功地實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理的計(jì)算機(jī)無線通信和交換數(shù)據(jù)。無線通信的好處是可以卻除設(shè)備對線纜和連接器的依賴，空調(diào)器自動(dòng)檢測可連續(xù)進(jìn)行，只要通信雙方都支持一定的協(xié)議，就能很快地建立通信鏈路，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。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(biāo)準(zhǔn)件。而現(xiàn)在生產(chǎn)的PC機(jī)主板上也大都預(yù)留了紅外線接口，只要選配合適的紅外收發(fā)模塊就能實(shí)現(xiàn)紅外無線數(shù)據(jù)通信，其成本甚至低于線纜通信。

實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通訊有多種方式，當(dāng)前流行的主要是藍(lán)牙技術(shù)和紅外通信技術(shù)。而IrDA紅外通信是一種價(jià)格較低、適應(yīng)性廣的短距離無線通訊技術(shù)。

1 IrDA及其通信協(xié)議

IrDA即紅外數(shù)據(jù)協(xié)會，全稱The Infrared Data Association，是1993年6月成立的一個(gè)國際性組織，專司制訂和推進(jìn)能共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連標(biāo)準(zhǔn)，支持點(diǎn)對點(diǎn)的工作模式。由于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和應(yīng)用的廣泛，更多的公司開始開發(fā)和生產(chǎn)IrDA模塊，技術(shù)的進(jìn)步也使得IrDA模塊的集成越來越高，體積也越來越小。IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率達(dá)到4Mbps。

IrDA(紅外數(shù)據(jù)協(xié)會)的宗旨是制訂以合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，以推動(dòng)紅外通信技術(shù)的發(fā)展。

IrDA數(shù)據(jù)通信按發(fā)送速率分為三大類：SIR、MIR和FIR。串行紅外（SIR）的速率覆蓋了RS-232端口通常支持的速率（9600b/s～115.2kb/s）。MIR可支持0.576Mb/s和1.152Mb/s的速率；高速紅外（FIR）通常用于4Mb/s的速率，有時(shí)也可用于高于S1R的所有速率。

在IrDA中，物理層、鏈路接入?yún)f(xié)議（Irlan）和鏈路管理協(xié)議（IrLMP）是必需的三個(gè)協(xié)議層。除此之外，還有一些適用于特殊應(yīng)用模式的可選層。

在基本的IrDA應(yīng)用模式中，設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備。主設(shè)備用于探測它的可視范圍，尋找從設(shè)備，然后從那響應(yīng)它的設(shè)備中選擇一個(gè)并試圖建立連接。在建立連接的過程中，兩個(gè)設(shè)備彼引協(xié)調(diào)，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(xié)調(diào)”過程都是在9.6kb/s的波特下進(jìn)行的。

IrDA數(shù)據(jù)通信工作在半雙工模式，因?yàn)樵诎l(fā)射時(shí)，接收器會被發(fā)射的光芒所屏蔽。這樣，通信的兩個(gè)設(shè)備將通過快速轉(zhuǎn)和鏈路來模擬全雙工通信，并由主設(shè)備負(fù)責(zé)控制鏈路的時(shí)序。

IrDA協(xié)議按層安排，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)逐層下傳，最終以光脈沖的形式發(fā)出。IrLAJ和lrLMP是協(xié)議中牧師層之外所需的兩個(gè)軟件層。在物理層上的第一層是鏈路接入?yún)f(xié)議（IrLAP），它是HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）協(xié)議的改編，以適應(yīng)紅外傳輸?shù)囊?。IrLAP層的工進(jìn)行鏈路初始化、設(shè)備地址尋找和解決沖突、啟動(dòng)連接、數(shù)據(jù)交換、斷開連接和鏈路關(guān)閉等。IrLAP用于指定紅外數(shù)據(jù)包的幀和字節(jié)結(jié)構(gòu)，以及紅外通信的錯(cuò)誤檢測方法。IrLAP之上的一層是鏈路管理協(xié)議，即IrLMP，主要用于管理IrLAP所提供的鏈路連接中的鏈路功能和應(yīng)用程序以及評估設(shè)備上的服務(wù)，并管理如數(shù)據(jù)速率、BOF的數(shù)量（幀的開始）及連接換向時(shí)間等參數(shù)的協(xié)調(diào)，以及數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)傳輸?shù)取?/p>

IrDA物理層協(xié)議提出了對工作距離、工作角度（視角）、光功率、數(shù)據(jù)速率不同品牌設(shè)備互聯(lián)時(shí)抗干擾能力的建議。當(dāng)前紅外通訊距離最長為3米，接收角度為30度。

2 空調(diào)檢測線IrDA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 物理層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

IrDA物理層協(xié)議的設(shè)計(jì)保證了0～1米范圍內(nèi)0°～15°的軸線偏離角的無錯(cuò)通信。其中包括了調(diào)制、視角、光功率、數(shù)據(jù)速率和噪聲去除的規(guī)范，以保證檢測線上隨行數(shù)據(jù)采集裝置和固定數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)的設(shè)備之間的物理互連性。協(xié)議也考慮了周圍的光照或其他噪聲源的存在以及參與IR通信的一些檢測設(shè)備間的干擾。協(xié)議要求合理選擇發(fā)射器的光強(qiáng)度和接收器的靈敏度，以保證鏈路能在0～1米的距離內(nèi)工作。

圖1給出了IrDA物理層的方框圖。數(shù)據(jù)速率小于4Mb/s時(shí)，使用RZI（歸零反轉(zhuǎn)）調(diào)制，最大脈沖寬度是位周期的3/16；而在4Mb/s的數(shù)據(jù)速率時(shí)，使用4PPM（脈沖位置）調(diào)制。IrDA要求的RZI（反相歸零）調(diào)制的編碼效果如圖2中的IR幀數(shù)據(jù)所示。4PPM調(diào)制如圖3所示。兩個(gè)數(shù)據(jù)位組合在一起可組成一個(gè)500ns的“數(shù)據(jù)碼元組”。這一碼元組可分為四個(gè)125ns的時(shí)隙。并可根據(jù)碼元組的狀態(tài)在不同的時(shí)隙放置單脈沖。解調(diào)器在將輸入位流的相位鎖定后，即可根據(jù)脈沖在500ns周期中的位置來解出數(shù)據(jù)。這一方案需要的編碼/解碼器可以集成在1/0芯片中，也可作為一個(gè)獨(dú)立元件?？照{(diào)器檢測線采用安捷倫紅外通信器件，此產(chǎn)品在耗電、體積、和價(jià)格方面都有很大優(yōu)勢，在小型移動(dòng)電話、傳呼機(jī)，筆記本電腦、臺式PC機(jī)、視窗CE掌上產(chǎn)品、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和數(shù)字影象產(chǎn)品中廣泛采用。

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

空調(diào)器檢測線隨行數(shù)據(jù)采集裝置的核心MCU可選用ATMEL公司的RISC單片機(jī)90S2313，它的串口能夠支持與IrDA兼容的LED收發(fā)器，并且可以直接與之相連。

紅外收發(fā)器選用AGILENT公司的HDSL-3201和HDSL-3600。2.5毫米高的HDSL-3201的代電電壓范圍為2.7V到3.6V，但LED驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)從內(nèi)部補(bǔ)償恒定32mA，以保證符合IrDAr DATA1.2(低功耗)物理層協(xié)議指標(biāo)的要求。該產(chǎn)品的傳輸距離一般為30厘米，可支持9.6kb/s～115.2kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。4毫米高的HDSL-3600的典型鏈路傳輸距離可大于1.5米，通過管腳FIP-SEL能選擇可以接收的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)FIR-SEL設(shè)為低電平時(shí)，最高速率為115.2kb/s；設(shè)為高電平時(shí)，最高速率可達(dá)4Mb/s。同時(shí)，還有兩個(gè)管腳MDO和MD1用來選擇發(fā)光功率。用戶可以根據(jù)自己的需要來設(shè)定，以達(dá)到在短距離通信情況下省電的目的。圖4給出了HSDL-3600的管腳說明及典型外圍電路。

2.3 IrDA紅外通信的數(shù)據(jù)流

空調(diào)器檢測裝置工作在SIR模式下，所有在TXD/RXD管腳和90S2313的UART之間傳送的串行數(shù)據(jù)都是根據(jù)SIR IrDA標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)制/解調(diào)。邏輯0由一個(gè)3/16位寬或1.6μs寬的光脈沖代表（1.6μs是最高位速率115.2kbps的位寬的3/16）。0位的開始對應(yīng)脈沖的上升沿。邏輯1由無光脈沖代表。字節(jié)首先從LSB開始發(fā)送。每幀由起始位、8位數(shù)據(jù)、停止位組成，無奇偶校驗(yàn)。

由于空調(diào)器檢測裝置的通信數(shù)據(jù)量不大，因此，采用SIR模式即可滿足要求。而在FIR模式下，通信過程就復(fù)雜多了，所有在TXD/RXD管腳和微處理器的HSSP（高速串行/并行）接口之間傳送的串行數(shù)據(jù)都是根據(jù)4PPM IrDA標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)制/解制的。編碼時(shí)，把一個(gè)字節(jié)分為四個(gè)單獨(dú)的碼元組（2位一對），最低的碼元組首先傳送，但每個(gè)碼元組不重新排序。這樣，一個(gè)字節(jié)就被分成了四個(gè)“片”（每片500ns），每個(gè)“片”分為四個(gè)時(shí)隙（每個(gè)時(shí)隙125ns）。

可用微處理器中的高速串行/并行（HSSP）接口來實(shí)現(xiàn)特殊的4Mb/s協(xié)議。其串行幀格式為：

引導(dǎo)標(biāo)志用來接收同步。接收開始時(shí)，使用串行移位寄存器從RxD2管腳接收四個(gè)4PPM片，然后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(dǎo)標(biāo)志，則時(shí)隙計(jì)數(shù)將延遲1，并重復(fù)以上過程，直到辨認(rèn)出引志標(biāo)志并使標(biāo)志時(shí)隙計(jì)數(shù)器同步為止。引導(dǎo)標(biāo)志最少重復(fù)16次。由于空閑時(shí)（無發(fā)送數(shù)據(jù)）的不斷重復(fù)，因此在16個(gè)引導(dǎo)標(biāo)志傳送完成后的任何時(shí)候都可能收到起始標(biāo)志。

當(dāng)接收到8片長的起始標(biāo)志后，系統(tǒng)將它與標(biāo)準(zhǔn)編碼進(jìn)行比較。如果起始標(biāo)志的任一部分和標(biāo)準(zhǔn)編碼不一樣，則告知一個(gè)幀錯(cuò)誤，并且再一次開始尋找?guī)龑?dǎo)標(biāo)志。一旦正確的起始標(biāo)志被驗(yàn)證，接下來的每組4片就被解碼為一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，并放入5字節(jié)的臨時(shí)FIFO寄存器中。當(dāng)臨時(shí)FIFO被填滿后，數(shù)據(jù)值便被一個(gè)接一個(gè)地推入到接收FIFO。

一幀數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)是8位的地址區(qū)，它是在一對多通信時(shí)用來指定接收器的。地址區(qū)最多能容納255個(gè)獨(dú)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(gè)值相等或輸入地址是通用地址，所有的數(shù)據(jù)字節(jié)（包括地址字節(jié)）都將存儲在接收F1FO中。如果不相符，任何數(shù)據(jù)都不能存儲到51接收FIFO，這樣，系統(tǒng)將忽略幀的余下部分，并開始尋找下一個(gè)引導(dǎo)標(biāo)志。

一禎的第二個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)可能包括一個(gè)由用戶定義的8位可選控制區(qū)，它必須由軟件解碼，因?yàn)樵贖SSP中它被視為普通的數(shù)據(jù)。一禎可以包含不大于2047字節(jié)的任何多個(gè)8位數(shù)據(jù)（包括地址數(shù)據(jù)字節(jié)的能力）。其數(shù)據(jù)長度不超過CRC校驗(yàn)?zāi)軝z測傳輸中所有錯(cuò)誤時(shí)的最大數(shù)據(jù)量。

3 前景與展望

隨著紅外通信技術(shù)的發(fā)展，其通信速率也將不斷提高，今年IrDA將推出16Mbps的甚高速紅外（VFIR）標(biāo)準(zhǔn)。IrDA紅外通信的作用距離也將從1米擴(kuò)展到幾十米。近兩年興起的藍(lán)牙無線通信技術(shù)具有距離離遠(yuǎn)、無角度限制等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)速率較低且成本高，誤碼率和保密性也不如紅外通信，因此藍(lán)芽無線通信技術(shù)還未達(dá)到完全替代紅外通信的程度。

對于空調(diào)器隨行檢測數(shù)據(jù)采集這樣的小型設(shè)備，IrDA紅外通信確為一種可靠、方便、快捷的與主計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)的低成本方案。