紅外通信協定:協定背景,基本結構,IRDA標準,基本原理,電路設計,紅外傳送器,軟

紅外通信協定是一種基於紅外線的傳輸技術。基於紅外線的傳輸技術最近幾年有了很大發展。目前廣泛使用的家電遙控器幾乎都是採用的紅外線傳輸技術。作為無線區域網路的傳輸方式，紅外線方式的最大優點是不受無線電干擾，且它的使用不受國家無線管理委員會的限制。但是，紅外線對非透明物體的透過性較差，導致傳輸距離受限制。

基本介紹

中文名：紅外通信協定
類別：協定
內容：紅外通信
專業：通信

協定背景,基本結構,IRDA標準,基本原理,電路設計,紅外傳送器,軟體設計,最新進展,嵌入式的實現,典型案例,

協定背景

紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波，其頻率高於微波而低於可見光，是一種人的眼眼看不到的光線。目前無線電波和微波已被廣泛套用在長距離的無線通信中，但由於紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合套用在需要短距離無線通信場合點對點的直接線數據傳輸。為了使各種設備能夠通過一個紅外接口進行通信，紅外數據協定（InfraredDataAssociation，簡稱IRDA）發布了一個關於紅外的統一的軟硬體規範，也就是紅外數據通訊標準。

基本結構

紅外數據通訊標準包括基本協定和特定套用領域的協定兩類。類似於TCP-IP協定，它是一個層式結構，其結構形成一個棧，如圖1所示。

其中基本的協定有三個：①物理層協定（IrPHY），制定了紅外通信硬體設計上的目標和要求，包括紅外的光特性、數據編碼、各種波特率下幀的包括格式等。為達到兼容，硬體平台以及硬體接口設計必須符合紅外協定制定的規範。②連線建立協定（IRLAP）層制定了底層連線建立的過程規範，描述了建立一個基本可靠連線的過程和要求。③連線管理協定（IrLMP）層制定了在單位個IrLAP連線的基礎上復用多個服務和套用的規範。在IrLMP協定上層的協定都屬於特定套用領域的規範和協定。④流傳輸協定（TingTP）在傳輸數據時進行流控制。制定把數據進行拆分、重組、重傳等的機制。⑤對象交換協定（IrOBEX）制定了檔案和其他數據對象傳輸時的數據格式。⑥模擬串口層協定（IRCOMM）允許已存在的使用串口通信的套用像使用串口那樣使用紅外進行通信。⑦區域網路訪問協定（IrLAN）允許通過紅外區域網路喚醒筆記本電腦等移動設備，實際遠程搖控等功能。

整個紅外協定棧比較龐大複雜，在嵌入式系統中，由於微處理器速度和存儲器容量等限制，不可能也沒必要實現整個的紅外協定棧。一個典型的例子就是TinyTP協定中數據的拆分和重組。它採用了信用片（creditcard）機制，這極大地增加了代碼設計的複雜性，而實際在紅外通信中一般不會有太大數據量的傳輸，尤其在嵌入式系統中完全可以考慮將數據放入單個數據包進行傳輸，用逾時和重發機制保證傳輸的可靠性。因此可以將協定棧簡化，根據實際需求，有選擇地實現自己需要的協定和功能即可。

IRDA標準

包括三個基本的規範和協定：

物理層規範(PhysicalLayerLinkSpecification)、連結建立協定(LinkAccessProtocol:IrLAP)和連結管理協定（LinkManagementProtocol:IrLMP)。

物理層規範制定了紅外通信硬體設計上的目標和要求，IrLAP和IrLMP為兩個軟體層，負責對連結進行設定、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通信套用領域，IRDA還陸續發布了一些更高級別的紅外協定，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P和IrBus等等

基本原理

紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。傳送端採用脈位調製（PPM）方式，將二進制數位訊號調製成某一頻率的脈衝序列，並驅動紅外發射管以光脈衝的形式傳送出去；接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理後送給解調電路進行解調，還原為二進制數位訊號後輸出。

簡而言之，紅外通信的實質就是對二進制數位訊號進行調製與解調，以便利用紅外信道進行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的數據機。

電路設計

單片機本身並不具備紅外通信接口，但可以利用單片機的串列接口與片外的紅外發射和接收電路，組成一個套用於單片機系統的紅外串列通信接口，如圖1所示。

紅外傳送器

實例一

紅外傳送器電路包括脈衝振盪器、驅動管T1和T2、紅外發射管D1和D2等部分。其中脈衝振盪器由NE555 定時器、電阻（R1、R2）和電容（C1、C2）組成，用以產生38kHz的脈衝序列作為載波信號；紅外發射管D1和D2選用Vishay公司生產的TSAL6238，用來向外發射950nm的紅外光束。

紅外傳送器的工作原理為：串列數據由單片機的串列輸出端TXD送出並驅動T1管，數位“0”使T1管導通，通過T2管調製成38kHz的載波信號，並利用兩個紅外發射管D1和D2以光脈衝的形式向外傳送。數位“1”使T1管截止，紅外發射管D1和D2不發射紅外光。若傳送的波特率設為1200bps，則每個數位“0”對應32個載波脈衝調製信號的時序，如圖2所

實例二

紅外接收電路選用Vishay公司生產的專用紅外接收模組TSOP1738。該接收模組是一個三端元件，使用單電源+5V電源，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點，其內部結構框圖如圖3所示。

軟體設計

通信方式

考慮到紅外光反射的原因，在全雙工方式下傳送的信號也可能會被本身接收，因此紅外通信需採用異步半雙工方式，即通信的某一方傳送和接收是交替進行的。

通信協定

進行紅外通信之前，通信雙方首先要根據系統的功能要求制訂某種特定的通信協定，然後才能編寫相應的通信程式。

嵌入式的實現

採用Sitronix公司的ST2204電路板為硬體平台，處理晶片核心為65C02。ST2204電路板使用了集成的8位處理器，定址能力達到了44M位元組，並提供了低電壓檢測功能。由於2204集成了上述這些功能，非常適合省電、支持長電池壽命的手持移動設備嵌入式設計實現方案。在固件設計、軟體設計方面採用了彙編語言。65C02上的彙編採用存儲器映象方式，並廣泛使用了零頁定址，因此使用起來十分方便、高效。整個設計實現可分為硬體設計和軟體設計兩部分。硬體設計包括電路設計和固件程式（Firmware）的編寫；軟體設計包括CRC數據編碼校驗、數據收發及主站（Primary）、輔站（Slave）狀態要流程實現等。

在硬體設計方面根據對設備的需求和硬體板晶片性能，可以設計出相應的電路在仿真板上進行實驗。固件程式和編寫可採用分塊的方法，例如初始化（Initilize）模組、中斷處理（Interrupt）模組、時鐘（Timer）事件處理模組等。初始化模組可根據硬體板的指南說明（Specification）提供的各個暫存器值設備初始化參數；中斷處理模組可按照中斷向量表提供的入口地址編寫，其基本要求短小精悍，運行的時鐘周期與微處理器頻率和設備需求的波特率緊密相關。時鐘事情處理可根據硬體板提供的基本時鐘設備不同的時鐘精度，以滿足不同的需求。在紅外傳輸實際設計中定時器主要用於三個方向：第一是sniff探查過程中主站發廣播幀後輔站逾時未回響的處理；第二是逾時重發控制；最後一個是數據傳輸過程中輪轉時間片的控制。其中第三個方面要求的精度比較高，紅外協定制定的標準是在25ms～85ms之間。因此有必要把逾時處理放在中斷處理。在程式編寫時使用信號量和程式計數器進行時間控制。其基本思路得設備一個程式計數器進行累加計時，當各自事情時間到達時分別設定三個信號量來標誌事件處理，當事件處理完畢後重置各自信號量，轉入重新計時。

在軟體設計方面，要對傳送的數據進行幀包裝（FrameWrapper），添加CRC16校驗，用彙編實現CRC算法比C稍微複雜些。一個主要的技巧是將要進行校驗的數據地址和CRC數據表的索引地址置入一個零頁的記憶體地址中，採用通用暫存器對其進行間接定址。這樣就實現了C語言中的指針效果，可以比較方便地查詢CRC表。在數據收發套用中，分為主站（Primarystation）和輔站（slavestation）兩種角度。主站角度負責發起，建立連線，進行時間片輪轉調度等。輔站主要負責應答，回響命令。在一定條件下主站輔站角度可以互換，主輔站均可收發數據。

收發數據的中斷函式最重要也是底層的核心所在。在接收方首先公進行硬體初始化，設定UART接收初始化狀態並進行中斷允許標誌設定（具體設定可以參考所選擇的電路板說明）等。當紅外數據到達後即會觸發一個UART中斷，系統處理完當前事件後便會根據中斷向量表提供的入口地址調用接收中斷處理接收數據。在接收過程中，UART會搜尋匹配開始位和結束標誌。接收完畢後，返回系統調用程式。在實際套用中，當接收完數據後，即可安裝收幀控制域判斷幀類型，並結合接收站所處的相應狀態機進行流程處理。下面是紅外接收數據的中斷程式源碼：

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

*UARTReceiverInterruptServiceRoutine

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

ISR_URX:

pha

phx；壓棧，保存通用暫存器值

cld；清空十進制標誌位

ldx#00001100B；允許接收，並設定可以接收下一位元組

stx

ldxmBagLen

cpx#IrDAb_BAG_LEN;一個包的長度

bcsferr_over;溢出否

lda

stamReadBuff,x;寫數據

lda

stamIrdaByteFlag;保存狀態標誌位

incmBagLen;計數器

bra?exit

?err_over;

smb0

?exit;

plx;出棧，恢復通用暫存器值

pla

RTI

該中斷處理程式在硬體收到一個位元組時觸發。它先將通用暫存器值壓棧保存，接下來進行狀態暫存器的控制，並檢查一些狀態標誌，然後進行數據的接收；將數據保存在一個快取里，並進行溢出等狀態的檢測和控制。最後恢復通用暫存器的值，返回中斷調節函式。按照類似的原理可以編寫出紅外傳送方程式。編寫數據收發中斷程式有一點要注意，程式代碼量和處理器主頻以及選擇的紅外波特速率是密切相關的。若不注意就很容易造成“丟中斷”的現象，這是應該避免的。還有一點要說明：UART是工作在半雙工模式下，在一些實時系統和時間精度要求較高的套用中是不能同時進行收發數據的。但由於其收發時間片較短（最長為500ms），在一些普通套用中可以模擬成同時收發。

在程式編寫完後對其進行編譯/連線定位，用調試器以16進制的形式載入在主機開發系統中即可進行模擬調試。但是模擬調式不能百分之百地模擬硬體的全部特性。它主要用於調試軟體邏輯、狀態機流程。對於調試UART數據收發等實時性較強的硬體特徵還需到目標系統上進行驗證。

典型案例

針對便攜產品套用的紅外數據通信模組(圖)

作者：解放軍理工大學劉榮何敏　日期：2005-6-1

摘要：紅外通信有著成本低廉、連線方便、簡單易用和結構緊湊的特點，因此在小型的移動設備中獲得了廣泛的套用。目前大多數作為採樣數據的終端希望通過串口或紅外接口與移動設備（如掌上電腦等）進行通信。和傳統的遙控器中採用的紅外相比較，紅外數據傳輸的實現方式是不同的。在筆記本電腦，手機，PDA和數位相機上的紅外傳輸均採用紅外數據傳輸。本文介紹了紅外數據通信實現的原理，標準和方法。以實現和PDA（奧克碼—桑夏PPC2188型）的紅外數據通信為例介紹了該模組的實現原理和方法。
關鍵字：IrDA；紅外通信；PDA

---傳統的紅外通信設備主要是指紅外遙控器和早期的PDA中採用的38kHz紅外調製和解調方式。這種方式實現簡單，但是誤碼率較高，不適合進行數據傳輸，特別是數據量大的時候。為此，IrDA組織(InfraredDataAssociation)規定了紅外數據傳輸的標準IrDA，它規定了通過紅外設備進行無線傳輸的方法。1994年，第一個IrDA的紅外數據通信標準發布，即IrDA1.0。IrDA規範包含兩個設備之間通信的標準以及與其他設備進行通信的協定。IrDA標準包含設備之間通信數據的格式以及與其他設備進行通信的協定。目前符合IrDA的設備有：筆記本電腦，手機，掌上電腦，數位相機等。Linux作業系統支持IrDA。目前，很多公司根據該標準生產了各種用於紅外數據傳輸的晶片，如HP公司生產的HSDL-1000、HSDL-4230、HSDL-4220和HSDL-7000，Zilog生產的ZHX1010、ZHX1210、ZHX1810、ZHX1820。在桑夏公司的奧克碼—桑夏PPC2188型PDA上採用的就是ZHX1810晶片。下面分別介紹傳統的紅外通信和紅外數據通信的實現原理和方法。

1傳統的紅外通信
---1．1原理
---傳統的紅外設備傳輸數據時，可以採用38kHz的載波進行調製和解調。採用調幅的方式對數據進行調製，通過發光二極體將數據傳送出去；採用專門的解調晶片接受紅外傳送來的數據。
---1．2實現方法
---在終端上實現數據的紅外通信中，採用了圖1中的電路圖。

其中IFR_CLK輸出頻率為38kHz的方波，TXD為待傳送的數據，兩個信號通過有MC9013組成的電路進行調製，通過TSAL6200調製過的信號傳送出去；
---SFH5110—38為載波為38kHz的解調晶片，接受外部來的信號，將解調後的數據送到RXD；
---在終端中，採用了以上的電路和單片機進行連線，就可以實現傳統的載波（38kHz）調製解調的紅外通信。其中TXD和RXD分別接在單片機的串口的傳送端和接受端，IFR_CLK接在一般的IO口上。
---在單片機的軟體實現中，最主要的是在需要傳送數據的時候用定時器在IFR_CLK口線上產生38kHz的方波。在這裡，串口的速率一般較低。

---1．3缺點
---（1）採用調幅進行傳輸，抗干擾能力差；
---（2）在傳送數據時，輸出的功率一定時，用於信號傳輸的功率小，接收到的數據的信噪比小，容易誤判數據；
---（3）受到輸出功率的影響，數據傳輸的距離短,速度慢；
---（4）受到傳輸速率的影響，傳輸的數據量不能太大；
---（5）由於沒有相應的協定支持，將接收到的所有數據（包括正常的數據和干擾引起的非正常數據）送到RXD。

2紅外數據通信
---2．1紅外數據通信的速率和物理層的數據幀格式
---在紅外數據傳輸中，對串口傳送的數據採用脈衝進行調製的方式。在IrDA標準1.0中，脈衝的寬度為3/16的BIT占空比或者為固定的1.63μs的脈衝寬度。IrDA1.0簡稱為SIR，以系統的異步通信收發器(UART)為依託，由於受到UART通信速率的限制，SIR的最高通信速率只有115.2Kbps，也就是大家熟知的電腦串列連線埠的最高速率。在圖2中給出了脈衝調製前的異步串口UART的數據幀格式和進行脈衝調製後的紅外IR幀格式，其中，紅外脈衝調製中的沒有脈衝代表UART中的“1”，紅外脈衝調製中有脈衝代表UART中的“0”；在沒有串口數據傳送時，紅外數據幀中沒有脈衝。

---1996年，頒布了IrDA標準1.1，即快速紅外通信，簡稱為FIR。與SIR相比，由於FIR不再依託UART，其最高通信速率有了質的飛躍，可達到4Mbps的水平。FIR採用了全新的4PPM調製解調(PulsePositionModulation)，即通過分析脈衝的相位來辨別所傳輸的數據信息，其通信原理與SIR是截然不同的，但由於FIR在115.2Kbps以下的速率依舊採用SIR的那種編碼解碼過程，所以它仍可以與支持SIR的低速設備進行通信，只有在通信對方也支持FIR時，才將通信速率提升到更高水平。對4Mbps的速率，需要使用1/4的脈衝的相位進行調製（即所謂的4PPM調製），利用脈衝四個不同的相位（位置）的一個脈衝對兩個BIT進行編碼。因此，前面利用脈衝有無進行調製，這裡利用脈衝及脈衝的位置確定調製和解調的信號。例如，兩個BIT00調製為1000(一個BIT，其中第一個1/4BIT時間有脈衝，其他3/4時間無脈衝)，兩個BIT01調製為0100(一個BIT，其中第二個1/4BIT時間有脈衝，其他3/4時間無脈衝)。這樣，用4個脈衝就可以傳輸一個位元組的數據量。

在和終端進行通信的設備中，數據的傳輸通常以系統的異步通信收發器(UART)為依託，我們只需要採用符合IrDA標準1.0的紅外器件。目前，紅外數據傳輸晶片包括兩種，一種以HP公司HSDL-1000晶片為代表，HSDL-1000的一端輸入為符合IrDA1.0標準的紅外數據，一端為異步通信(UART)數據，可以直接用在終端中作為UART和紅外數據的轉換器。另外一種以Zilog生產的ZHX1810為代表，只是將紅外信號轉換為電信號，或將電信號轉換為紅外信號的紅外收發器件，這種晶片在終端設備中需要套用時，需要將脈衝轉換為異步通信的數據，或將異步通信的數據轉換為脈衝信號方可使用。
---2．2採用脈衝進行調製的原因
---紅外接收器需要一種方式來區分周圍的干擾,噪聲和信號。為了這個目的，通常利用儘可能高的輸出功率:高的功率表示在接收器中的大電流，有好的信噪比。然而,IR-LED（紅外燈）不可能在全部的時間連續的以高功率進行數據的傳送。因此,使用每個BIT只有3/16或1/4脈衝寬度的信號進行傳輸。這樣，輸出的功率可以達到IR-LED（紅外燈）連續閃爍的最大功率的4～5倍。另外,傳輸的途徑不會攜帶直流成分(由於接收器連續的適應周圍的環境,只檢測環境變化),這樣必須利用脈衝調製。
---2．3紅外數據通信的協定
---在紅外數據通信中，很容易受到外界的干擾，只有符合一定格式的數據才是正確的數據。為此，IrDA標準指定三個基本的規範和協定，包括：物理層規範(PhysicalLayerLinkSpecification)，連線建立協定(LinkAccessProtocol:IrLAP)和連線管理協定（LinkManagementProtocol:IrLMP)。物理層規範制定了紅外通信硬體設計上的目標和要求，IrLAP和IrLMP為兩個軟體層，負責對連線進行設定、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎上，針對一些特定的紅外通信套用領域，IrDA還陸續發布了一些更高級別的紅外協定，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。它們之間的關係如圖3所示。

---奧克碼—桑夏PPC2188型PDA的作業系統為桑夏2000作業系統，該作業系統為嵌入式的中文作業系統，其中有支持紅外通信的IrDA紅外通信協定棧。終端需要和PDA進行紅外通信的時候，也需要有支持紅外通信的IrDA紅外通信協定棧。有了支持紅外通信的IrDA紅外通信協定棧，終端不僅可以和PDA進行通信，也可以同帶有紅外通信口的筆記本電腦、手機、掌上電腦、數位相機等進行紅外通信。

3實現終端與PDA的紅外通信
---在終端設備中，要實現和PDA的紅外通信，除了要實現將紅外數據轉換為UART數據，還需要編制IrLAP和IrLMP層的協定。為了降低成本，我們直接採用了紅外收發器件ZiLOG生產的紅外收發器作為物理層的部分器件，而將脈衝和UART之間的數據轉換用軟體來實現。目前，實現了以下的硬體和軟體的研製和測試，這種終端與PDA的紅外通信是可靠的。
---3．1ZHX1810

---ZiLOG為OEM客戶和最終用戶提供了完整的紅外數據收發方案。ZiLOG的紅外收發器被廣泛的套用於各種PDA產品，行動電話以及相關領域中。
---最新公布的幾款紅外收發器ZHX1403，ZHX3403，以及ZHX1203，他們都具有極小巧的外型尺寸，ZiLOG稱之為Ultraslim結構。此外ZHX1403和ZHX3403還具有AlwaysOn技術，使得長時間的紅外功能開啟成為了可能，這無疑為紅外設備的套用增加了更多的可能性。
---在本系統的設計中，採用了ZiLOG的ZHX1810。由於紅外收發器也可以接收到自己發出的數據，實現的紅外數
據通信是半雙工的。
---在圖4中給出了ZHX1810的內部結構。
---LEDA：通過一個外接的電阻接到電源上，給LED提供電流。
---TXD：用來傳輸串列數據。通過一個電阻接到地上，當關閉模式時處於開路狀態。
---RXD：用來接收串列數據（在關閉模式時處於三態），不需要外接電阻。
---SD：用來將內部的電路控制在關閉模式。
---在Vcc和GND之間接一個0.33μF的電容。
---3.2硬體組成
---為了使終端的功能和紅外通信之間相對獨立，我們利用了單獨的單片機AT89C2051實現紅外協定棧中的相關協定。AT89C2051接收到TXD發來的數據，進行處理之後將UART數據轉換為對應的脈衝數據，通過ZHX1810傳送出去；AT89C2051接收到ZHX1810傳送來的脈衝數據，根據IrDA的相關協定棧進行解釋後，將數據通過RXD以UART數據形式傳送出去。從而實現紅外通信。
---圖5中的硬體電路是實現紅外通信的最低硬體配置。如果需要適應不同的波特率，需要在硬體圖中加跳線來識別。如果需要實現完整的IrDA協定棧，需要在電路中加上IIC匯流排的存儲單元；或者採用帶有數據匯流排和地址匯流排的單片機，加上RAM（如HM6116）來實現。
---在這裡，由於桑夏公司的奧克碼—桑夏PPC2188型PDA可以跳過IrDA 協定棧中的連線建立協定層和連線管理協定層，只需要實現物理層的部分功能，終端採用如下的電路圖就可以實現和奧克碼—桑夏系列的PDA之間的紅外通信。

---3．3軟體實現的功能和流程
---軟體實現的功能如下。
---軟體的編寫是終端和PDA進行紅外通信的重點，考慮到軟體的可移植性和程式執行的速度，採用了C語言進行編寫，主要需要實現的功能如下：
---（1）根據跳線識別不同的波特率，支持的波特率的傳輸範圍為1200bps～57600bps；
---（2）由於設定紅外默認的狀態為接收狀態；
---（3）物理層判斷紅外口有無接收到脈衝數據，將接收到的脈衝進行解釋後送到紅外數據接收快取區；
---（4）實現連線建立協定層IrLAP，和PDA建立連線；注意，這種建立的連線是單工的，只有在該次通信完成時才建立下次的連線；
---（5）實現連線管理協定層IrLMP的功能；
---（6）將從紅外接收的數據通過RXD送到終端的異步串口接收端；
---（7）從終端的異步串口傳送端接收數據，根據IrDA 協定棧，和PDA建立連線後，將從終端接收到的數據通過紅外傳送到PDA；
---在軟體的實現中，對終端的數據傳輸而言，數據是進行半雙工的透明的傳輸。
---軟體的流程如圖6所示。

4總結
---為了便於將這樣的模組套用於各種帶有紅外的移動終端設備的紅外數據通信，我們採用了單獨的MCU來實現串口數據和紅外數據之間的轉換。由於波特率的傳輸範圍為1200～57600bps，我們只實現了目前廣泛使用的SIR標準通信。該模組已經套用在和PDA紅外通信的電路中，性能穩定。

參考文獻
1何立民.MCS-51系列單片機套用系統設計.北京航空航天大學出版社，1998
2InfraredDataAssociationSerialInfraredPhysicalLayerSpecification
3ZHX1810SlimLine(tm)SIRTransceiver

紅外通信協定