维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第 1期 2003年12月 光 电 子 技 术 OPT()EI ECTR()NIC TECHN()I ()GY VO1.23 NO.1 Dec.2003 应用技术、 k n c 一 红外通信IrDA标准与应用 张晓红,Sasan Saaclat,乔为民, 敬 岚,苟世 哲,刘军科 (兰州中科院近代物理研究所,兰州,730000) 摘 要:红外光是有许多优势的通信媒介,红外通信IrDA标准是目前IT和通讯业普遍支 持的近距离无线数据传输规范。本文介绍了红外通信IrDA标准的内容以及它的物理层协议,脉 冲调制的必要性,不同传输速率下不同的脉冲调制方式,连接建立协议层的帧结构。给出了符合 IrDA标准的芯片T(_)IM3232和TFDS4500在高电压环境下调试实验设备的应用。 关键词:IrDA;标准;调制解调;同步;异步;RS232 中图分类号:TN219,TN929.1 文献标识码:A 文章编号:1005—488X(2003)04—0261—05 IrDA Standard and Its Application ZHANG Xiao—hong,Sasan Saadat,QIAO Wei—rain,JING I an,GOU Shi—Zhe,I IU Jun—ke (Institute oj Modern Physics,Ckinese Academy e)』Science,Lanzhou,730000,China Abstract:In{rared is a convenient communication medium that has many advantages.IrDA association has a membership of over hundreds of companies in the computer and telecommunication industry,including components,hardware,software and adapter manufacturers.This paper introduces IrDA standard and the physical layer of it in detail:the necessity of pulse modulation,the different modulations and frame formats at different data rates.We present the applicatiOn of the IrD八 TOIM3232 and TFDS4500 in testing experimental equipment under the high voltage environment. Key words:IrDA;standard;modulation;demodulation;synchronous;asynchronous;RS232 距离只有几米,红外光却是有许多优势的通讯媒 引 言 红外通信是利用红外光进行通信的一种空间 通信方式。红外通信标准IrDA是目前1T和通讯 业普遍支持的近距离无线数据传输规范。尽管通信 介。它的小型化和低成本,很适合应用在手机、电子 商务、数字照相机等便携式产品中。相对简单的红 外连接使它能适应不同的操作系统和大范围的传 输速率。红外连接比有线连接更安全可靠,它避免 了因线缆和连接器磨损和断裂造成的检修。 收稿日期;2003—0:3—07 作者简介:张晓红(1 968一),女,工程师,1 991年7月毕业于兰州大学电子与信息科学系。现主要从事数据获取系统的 研制和高速PCB布线工作。 Sasan Saadat(1 958一)男,美国NEVADA RENO大学学士.加州圣何塞大学自动控制专业研究生毕业。目 前从事电路设计工作。 齐为民(1 954一),男.研究员,博士生导师,1 982年毕业于西安电子科技大学。 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电 子 技 术 第23卷 通常两个红外设备必须在视线上直接对准,才能 进行数据交换,这就提供了一个固有的安全品质保 证。不象无线电频率,红外光不会穿墙而过,因而在一 个封闭的区域内,红外光是一种安全的传输媒介。 目前,红外技术被成功地应用到市场的以下产 品中:便携式电脑、台式电脑、手机、数字照相机、便 携式扫描仪、玩具和游戏机以及计算机外围设备如 打印机、键盘和鼠标。可在提款机前取款的手机已 经问世。 截止1999年,全世界符合IrDA的设备安装量 超过1. 亿套,预计到2003年,这个数据要上升到13 I7_5 。 1 IrDA标准概况 1.1 lr1)A背景 红外标准起因于各种便携式设备的互连需要, 红外数据协会Irl-)A(Infrared Data Association)于 1993年成立,以制定红外标准。 IrDA是一个的组织,它的章程是建立通 用的、低功率电源的、半双工红外串行数据互联标 准、支持近距离、点到点、设备适应性广的用户模 式。建立该标准是在各种设备之间较容易地进行低 成本红外通信的关键。 1.2 IrDA标准 IrDA定义了一套规范,或者称之为协议,每一 层建立在它的下一层之上,使建立和保持无差错 (误码率为10一 )数据传输成为可能。IrDA标准包 括三个强制性规范:物理层IrPHY The Physical I ayer);连接建立协议层IrI AP(I ink ACCCSS Protoco1);连接管理协议层IrI MP(I ink Management Protoco1)。每一层的功能是为上一层 提供特定的服务。其中物理层的硬件实现是整个规 范的焦点,处于最底层,是本文的重点,其它两层属 于软件协议的范围,负责对它下一层进行设置和管 理。我们只对其中连接建立协议作简单介绍。 红外数据连接物理层规范1.0定义了数据传输 率最高到115.2 kbps的红外通信;规范1.1将数据 传输率提高到4 Mbps,并保持了对版本1.0产品 的兼容;规范1.2定义了最高速度为115.2 kbps下 的低功耗选择;规范L 3将这种低功耗选择功能推 广到1.152 Mbps和4 Mbps 。 2 物理层(IrPHY)规范 2.1 参数定义 IrDA物理层定义了串行、半双工、距离0~1O0 cm、点到点的红外通信规程,它包括调制、视角(接 收器和发射器之间红外传输方向上的角度偏差)、 视力安全、电源功率、传输速率、以及抗干扰性等, 以保证各种品牌、种类的设备之间物理上的互连。 该规范也保证了在某些典型环境下(如存在环境照 明——太阳光或灯光、及其它红外干扰)的可靠通 信,并将参加通信的设备之间的干扰降到最低。目 前最新版本规范1.3支持两种电源:标准电源和低 功率电源。标准电源无差错传输距离为0~100 cm, 最大视角至少15。;低功率电源选择应用于便携式 设备和电信产业中,无差错传输距离0~2O cm,最 大视角至少1 5。L 。 2.2脉冲调制的必要性 IrDA红外通讯通过数据电脉冲和红外光脉冲 之间的相互转换实现无线数据的收发。IrDA设备 靠发光二极管发送信号,波长范围875 nm±30 nm,接收器采用装有滤波屏的光电二极管,仅使经 调制的特定频率的红外光通过并接收。接收器的光 学部分接收到的电荷量与信号辐射的能量成正比。 因为接收装置需要把混在外界照明和干扰中 的有用信号提取出来,所以尽可能地提高发送端的 输出功率,才可能在接收端有较大信号电流和较高 信噪比。但是,红外发光二极管不能在1O0 时间段 内全功率工作,所以发送端采用了脉宽为3/16或1/ 4比特位的脉冲调制,这样,发光二极管持续发光功 率可提高N4~5倍最大功率。另外传输路径中不含 直流成分,接收装置总在调整适应外界环境照明, 接收到的只是变化的部分即有用信号,所以脉冲调 制是必要的。集成的IrDA收发器具有滤波屏以消 除噪声,使在IrDA频率范围2.4~11 5.2 kbps和 0.576~4 Mbps内的信号通过L3j。 维普资讯 http://www.cqvip.com F 第4期 张晓红等:红外通信IrDA标准与应用 图 2.3调制原理 A IrDA1.0简称为SIR(Serial InfraRed),数据 传输率最高到ll5.2 kpbs。它是基于HP—SIR(惠普 在SIR编码解码电路及红外接收装置上拥有专 利)开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方 式。这是为了与通常的UART如NS16550建立连 规h 范 0 b 宽 图3红外数据帧 Fig.3 IR frame 框姗 层d . 图m 接,是对串口简单的延伸,见图1。数据在发送前首 先被编码调制,因为UART和串口使用NRZ (non—return to zero)编码,输出在整个比特位内保 持一致,多比特位可持续高电位,见图2。这不是最 佳红外传输,因为持续的一串高电位比特位使发光 二极管导通任意长时问,这就必须发光二极管 的功率,因此缩短了有效工作距离。而IrDA标准 要求RZI(return to zero,inverted)调制,以便使峰 值与平均功率之比得到增加。见图3。波特率在 1.152 Mbps以下时,都使用RZI调制。由于受到 UART通讯速率的,SIR的最高通讯速率只 有ll5.2 kbps,也就是大家熟知的电脑串行端口的 最高速率。 UART编码解码电路红外转换电路红外信号输 [3] LED驱动 发送 串行数据 并行数据 —+ 电路 [I] 红外发送 编码调制 【2】 : 探测与接收 接收 并行数据 串行数据 ‘一 解码电路 红外接收 : 串行接口 数字接口 红外信号输入[3] 图2 UART数据帧 Fig.2 UART frame 综上,波特率在2.4~115.2 kbps时,使用脉 宽为3/16比特位的脉冲调制,或使用固定宽度1.63 tzs的脉冲调制。数据与串行异步通信格式相一致, 帧字符用起始位和停止位来完成收发同步。一个 “0”用一个光脉冲表示。 UART与编码解码电路之间的信号[1]是 UART数据帧,它包含一个起始位,8个数据位,一 个停止位,见图2。在编码解码电路与红外转换电路 之问的信号[2]是红外IR数据帧,它具有与串口 相同的数据格式,见图3。其中在红外发送与I ED 驱动之问是3/16比特位宽的脉冲信号,与探测接收 和红外接收解码之间的信号基本一致。这样,信号 [2]是红外信号[3]的电信号表示。 IrDA1.1标准,即Fast InfraRed,简称为FIR。 与SIR相比,由于FIR不再依托UART,其最高通 讯速率可达到4 Mbps。在物理层之上的IrI AP (I ink Access Protoco1)层要求所有的红外连接以 9.6 kbps的速率(3/16调制)建立起始连接,因此 支持 iM速率的设备至少必须支持9.6 kbps的速 率,这样也保证了4M的设备可以与仅支持9.6 kbps的低速设备相通信,即保证向后兼容。见图4。 调制解调电路LED驱动与接收电路 LED 3/16编码 一 4PPM调制 LE驱动 3/16解码 4PPM解调 \\J 图4 IrDA规范】.1物理层框图 Fig.4 The physical layer block diagram of IrDA 、,ersion】.1 速率为0.576 Mbps和1.152 Mbps时,使用与 IrDA1.0相同的RZI编码,只是用1/"匕特位宽替 代3/16调制。如果发送0100110101这一串二进制 码,图5示意出实际传输的信号在不同速率下的脉 冲编码(较低速率和0.576 M以及1.152 M),其中 NRZ表示未经调制的原始信号。 m 维普资讯 http://www.cqvip.com 光 电 子 技 术 第23卷 ii i 考模型第二层——数据链路层相对应,是红外通信 规范强制性定义层。IrI AP以现有的高级数据链 路控制协议HDI C(High I evel Data I ink Control j <1.152 Mbps 1.6 la¥ I 巾 I l/4i位宽 iProcedure)和同步数据链路控制SDI (、 (Synchronous Data I ink Cont ro1)半双工协议为 0.576Mbps ̄1.1 52 :几 门 j 扎扎 ! j基础,经修订以适应红外通信需要。IrI AP为软件 提供了一系列指南,如寻找其它可连接设备,解决 地址冲突,初始化某一连接,传输数据以及断开连 O 1 OO O 1图5速率为0.576 Mbps和1.1 52 Mbps的】/4位宽编 0 O O码和低速1.6『』s编码 Fig.5 Lower data rates and 0.576 Mbps&1.1 52 Mbps encode 当波特率为4 Mbps时,FIR采用了全新的4 PPM(Pulse Position Modulation)调制解调,即依 靠脉冲的相位来表达所传输的数据信息,其通讯原 理与SIR不同。见表1。每两个比特位即“比特对” 被一起编码成一个500 ns宽的“数据符号位”,每个 符号位分为4等份,只有一份包含光脉冲,信息靠数 据符号脉冲的位置来传达。例如,比特位OO将被传 送为1000,O1被传送为O1O0,11被传送为0001,每一 个“1”靠一个光脉冲传送。对于4 Mbps的传输速 率,光脉冲宽度为125 ns,发射器闪烁频率为数据 传输速率的一半即2 Mbps,而且在一段固定时间 内,接收器收到的脉冲数目是一定的,这将使接收 器比较容易与外界环境光强度保持一致,使接收到 的只是变化的部分即有用信号。 表1速率为4 Mbps时的4PPM调制 Tab.1 4PPM Modulation with data rate of 4 Mbps 比特对4PPM数据符号位 OO O1 1O 11 其中逻辑1表示在这段数据符号位内I.ED发 送红外光,逻辑O表示在这段数据符号位内I.ED处 于关断状态。 3 连接建立协议层(IrI AP) 3.1 概述 连接建立协议层的定义与OSI(()pen System Interconnecl Reference Mode1)开放式系统互联参 接。IrI AP定义了红外数据包的帧和字结构,以及 出错检测方法。 3.2 lrl AP帧结构 IrI 八P对不同的数据传输速率定义了三种帧 结构: 1异步帧(速率在9.6~115.2 kbps之间); 2同步HDI C帧(速率为0.5'76 Mbps和1.152 Mbps); 3同步4 PPM帧(速率为4 Mbps)。 速率在115.2 kbps(包括115.2 kbps)之内时, 信号除使用RZI编码外,还被组织成异步帧,每一 字节异步传输,具有一起始位,8比特数据位和一停 止位。 数据传输率在115.2 kbps以上时,数据以包 含有许多字节的数据包——同步帧串行同步传输。 同步帧的数据包由两个起始标记字,8比特位目标 地址,数据(8比特位控制信息和其它2 0,t5字节数 据),循环冗余码校验位(1 6832比特位)和一个停 止标记字组成。包括循环冗余码校验位在内的数据 包由与IrDA兼容的芯片组产生nJ。 4 红外IrDA应用举例 目前,红外通信在电子设备中得到了广泛的应 用。生产符合红外标准元件的厂家有IBM、 Hewlett Packard、Texas Instruments、National Semiconductor、Vishay—Telefunken等。以下介绍 种在实际中得到成功应用的器件:Vishay公司 生产的传输控制器T()IM3232和红外收发模块 TFDS i500。 在我所重离子加速器冷却储存环建设中,需要 通过串口调试在高压环境中的大型设备。由于无线 光通信可以去除设备对线缆的依赖,我们研发了基 于RS232总线的红外串行接口。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 张晓红等:红外通信IrDA标准与应用 4.1 特点 1本品直接连接RS一232串口(无须BIOS设 置),它首先通过软件将串口转化为红外数据的收 发接口,然后运用硬件对串口的发送数据进行编码 并对接收的红外光信号进行解码来实现红外数据 通讯; 2本品兼容IrDA一1.2协议,可与任何具备 IrDA红外通讯功能的设备进行无线数据通讯,最 高通讯速度可达11 5.2 kbps; 3抗干扰能力强,通讯稳定; 4通讯距离在1 nl_以上; 5由于该器件另一端需放置在高压环境下,电 磁屏蔽非常重要。我们选用空心金属球屏蔽,将电 路板放进球体中心所开的狭缝中。因为金属球不能 太大,故电路板尺寸有一定。我们尽量选用表 面贴片元件,用PADS—POwERP( B进行表面大 面积铺铜,以减少辐射和干扰。 4.2功能描述及结构框图 如图6所示,该连接器主要由传输控制器 TOIM3232和红外收发器TFDSI500组成 ,另加 RS232电平与TTI 电平问的转换电路。 图6 RS232红外接口 Fig.6 RS232 infrared adapter 传输控制器TOIM3232提供了RS232总线到 红外收发器 FFDx4x00的接口,主要进行RS232编 码和IrDA编码之问的转换;可通过RS232口进行 编程,以选择通信波特率(1.2 kbps ̄l1 5.2 kbps) 和输出脉冲宽度(3/1 6或1.627 s);T()IM3232是 微功耗器件,运行状态下功率消耗10 n1w,备用模 式下只有几毫瓦;小型封装,适合应用在便携式产 品中 。 红外收发器TFDx ix00有三种封装: TFDU¨()(),TFDS4500和TFDT4500,是符合 IrDA1.2标准的串行红外收发器。TFDx.1x00也是 微功耗器件,通过设置VCC1/si)引脚进入睡眠功 能,可工作在2.7~5.5 V的宽电压范围。通过设置 该器件SC脚控制收发模块的灵敏度,小型封装, 防电磁辐射保护,只需很少外围元件,在l1 5.2 kbps波特率下通信距离可达3 IT1_7j。 4.3软件 Ⅲ 本连接器只是建立了最底层的物理连接,面对 具体的应用环境,软件上要编制一定的界面通过串 口进行控制信号的发送和数据的接收。 参 考 文 献 ~一一一~~ ~~~ ~一一 一~ 一~一 ~一一一一一一~一 ~岫 一 一~ 一~一㈦ 一一一 川 一 ~ ~~一 ~一一 ~一一一 一