防辐射服评测无线通信原理与应用
前言
本篇为常见短距离无线通信方案专题第一篇，主要讲述IrDA通信协议、IrDA器件及期应用电路设计。
点击上方蓝字关注小编
红外数据传输及其规范简介
红外数据传输，使用传播介质——红外线。红外线是波长在 750nm~1mm 之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.75μm~25μm 之间。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果， 限定所用红外波长在 850nm~900nm。IrDA 是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA 相继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。
IrDA1.0 协议基于异步收发器 UART，最高通信速率在 115.2kbps，简称SIR(Serial Infrared，串行红外协议)，采用3/16 ENDEC编 / 解码机制。IrDA1.1 协议提高通信速率到 4Mbps，简称FIR(Fast Infrared，快速红外协议)，采用4PPM (PulsePosition Modulation，脉冲相位调制)编译码机制，同时在低速时保留 1.0 协议规定。之后，IrDA 又推出了最高通信速率在16Mbps的协议，简称VFIR(Very Fast Infrared，特速红外协议)。
IrDA 标准包括三个基本的规范和协议：红外物理层连接规范IrPHY(Infrared Physical Layer Link Specification)，红外连接访问协议IrLAP (Infrared Link Access Protocol) 和红外连接管理协议 IrLMP(Infrared Link ManagementProtocol)。IrPHY 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等等。如图1所示
图 1 红外协议栈示意图
在此把符合 IrDA 红外通信协议的器件称为 IrDA 器件，符合 SIR 协议的器件称为 SIR 器件，符合 FIR 协议的器件称为 FIR 器件，符合 VFIR 协议的器件称为 VFIR器件。
核心协议层
红外物理层协议（IrPHY）
红外物理层协议制定了红外通信硬件设计的目标和要求，低级数据帧结构以及帧传送速度。包括了红外收发器、数据位的编码和解码、传输距离、传输视角（接收器和发射器之间红外传输方向上的角度偏差）、发光功率和抗噪声干扰等方面。为了达到兼容，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。IrPHY 规定了红外通信数据发射速度分别为 115.2kbps，0.576Mbps，1.152Mbps，4Mbps，16Mbps，Ir-PHY 规定 IrDA1.0 串行红外 SIR(Serial Infrared )规定了传输速率为从 2.4kbs ～ 115.2kbps, 用开关键控（OOK, on-offkeying）归零码（RI）脉冲进行编码，“0”代表一个光脉冲。它基于 HP-SIR 开发出来的一种异步、半双工红外无线通信方式，它依托系统中的异步通信收发器（UART），通过对串行数据脉冲的波形的压缩和对所接受的光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程实现红外数据传输。IrDA1.1 快速红外FIR(Fast Infrared)规定了传输速率从 0.576 Mbps ～ 1.152Mbps，用 RZI 进行编码，在 4Mbps 时采用 4PPM （Pulse Position
Modulation）编码。VFIR(Very Fast Infrared)规定了传输速度为 16Mbps，采用 HHH 编码方式。IrPHY 定义了红外无线设备传输距离为 1m，实现了传输视角为 0°～ 15°的无错通信和在环境光及其它红外光干扰下的成功通信。规定波长范围850 ～ 900nm，发射半角的宽度为 15°～ 30°，接收时光线的入射半角不小于 15°，误码率为 10-9（位速率为 4Mbps 时误码率不超过 10-8）。
红外物理层的帧结构
IrDA 红外物理层帧结构图如图 2 所示:
图2 IrDA 物理层帧结构示意图
图中 STA 为起始标志，由 01111110 组成，ADD 为 8 位的地址场；DATA 为 2048 字节的信息场；FCS 为 16 位的 CRC；STO 为结束标志，由 01111110 组成。为了将数据通信部分与经常变动的硬件层隔离，红外物理层还构造了一个被称为帧生成器的软件层，它的主要任务是接受来自物理层的数据帧并将他们提交给链路访问层(IrLAP), 同时还接受输出帧并将它们传送到物理层。此外，帧生成器还可以根据 IrLAP 层的命令来控制硬件通信速度。
红外链路建立层协议（IrLAP）
IrLAP 是红外规范强制定义层，制定了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。IrLAP 是在现有的高级数据链路控制协议 HDLC (High level Data LinkControl Procedure) 和同步数据链路控制 SDLC (SynchronousData Link Control)半双工协议基础上增添了一些红外通信的特性，提供连接制定,数据转移，流控制功能。IrLAP 所作用的红外媒介是一个点对点，半双工介质。IrDA 协议对 IrLAP 功能要求如下：
（1）寻找设备——搜寻红外光辐射的设备；
（2）连接设备——选择合适传送对象，协商双方均支持的
最佳通信参数并进行连接；
（3）数据交换——用协商好的参数进行数据交换；
（4）断开连接——关闭链路并且返回到常规断开状态，等待新的连接。
IrLAP 定义了 3 种类型的帧：信息帧(Information frame, I)、监控帧(Supervisory frame, S)、无序列帧(Unnumbered frame,U)。信息帧 I 用于信息的传输。监控帧 S 用于链路的管理，如应答接收帧，传送站点状态，报告帧序列错误等。无序列帧 U用于建立和释放链路，报告过程错误，传送数据等。IrLAP 最基本的数据帧格式如图 3 所示：
图3 3 IrLAP 最基本的数据帧格式
IrLAP 数据帧包括 8 位开始标志位和 8 位结束标志位，并且包含了特殊的位模式 01111110，7 个地址位和一个循环冗余校验位(C/R),8 位控制位。每一个帧都包含一个控制域，控制域包含一个帧探测器，可以探测帧的类型和校验位 P/F的值，校验位 P/F 的值用于进行传输控制。如图 4 所示，信息帧I 的控制域包含一个发射序列号“Ns”，Ns 用于确定传输的信息帧个数。信息帧 I 和监控帧 S 都包含一个接收序列号“Nr”，Nr 用于确定所希望接收下一个信息帧 I 的序列号。监控帧 S 和无序列帧 U 的控制域都包含一个控制/响应编码
“X”, IrDA 协议标准规定了每个控制域含有 8 位比特位，Ns和 Nr 各占 3 位比特位，Ns 和 Nr 的值从 0 ～ 7 循环，最大的窗口值为 7。
IrLAP 工作过程
链路建立协议的工作过程主要过程分为三部分：发现设备和地址冲突处理——链路建立——信息交换和链路关闭。其具体工作过程如图 4 所示。
图4 IrLAP 工作过程图
建立 IrLAP 连接的两部分存在主从关系，承担不同责任。用 IrDA 术语表示为主站(Primary)和从站(Secondary)。主站控制通信管理和保持各个任务的独立性，它启动连接，发送命令帧，初始化链路，发送数据和组织控制数据流，并处理不可校正的链路连接错误。实体主设备包括 PCs，PDAs，摄像机，其它任何需打印的设备（打印机现在是从位置）。从站发送响应帧来响应主站的请求，设备的协议栈既可以作为主站也可以作为从站。链路建立起来后，双方轮流发问，每次每个发问方等待时间不能超过 500ms。实体的从设备是：打印机及其它的周边设备。
IrLAP 的建立过程中包括两种操作方式：常规断开模式NDM(Normal Disconnect Mode)和常规响应模式NRM(NormalDisconnect Mode)。常规断开模式是一种设备未建立连接的默认操作模式。由于各个站点在可能的通信范围内移动，因此主站在建立连接时需要寻找移动站的位置。在这一模式下，
设备必须对传输媒质进行检测，检测传输媒质上是否有其它传输正在进行。如果在超过 500ms (最大链路运行周期) 时间范围内没有检测到传输活动，则认为传输媒介可用来建立，这样可以避免对现有的链路造成干扰。IrDA 设备的连接参数最高支持传输速率是 9600bps。在此模式下，设备将开始设备发现，地址解析，连接建立过程。一旦连接已经确定，IrLAP 层将进入常规响应模式，连接双方采用在常规断开模式中协商好的最佳参数进行通信，协议栈中较高层就可以利用常规命令和响应帧来进行数据信息交换。这是处于主站控制之下的信息交换阶段，在此阶段，无论是主站还是从站在断开模式下都保持空闲。一旦信息传输完毕，链接被断开，设备回到常规断开模式。
IrLAP 功能模型描述
IrDA 协议主要用于信息数据从一个设备传到另一个设备，连接建立发生在常规断开模式，一旦连接建立，设备将工作在常规响应模式下。当在常规响应模式下, 设备能在 IrDA定义的任何速率下交换数据。然而，并不是所有的 IrDA 设备都支持 IrDA 的各种速率和连接参数的。所以，必须在连接建立时为设备确定正常模式下的参数。IrLAP 模型主要描述在常规响应模式下，主站和从站间进行大量的信息数据传输。假定在红外无线链路传输中，只有主站和唯一的从站。主站控制整个竞争期间段，并且传输错误是随机分配的。在竞争期间段，主站决定它所使用的窗口尺寸 N 的大小，N 表示在请求确认前，主站所能传送的最大的信息帧的数量。在竞争期间段协商和确定最大窗口尺寸Wmax。最长转换时间 Tmax 必须遵守 IrLAP 协议层定义的规定，Tmax 比 Wmax 有更高的优先权。Tmax 和已生成的帧尺寸大小有关，Tmax 和传输速率 C 限制窗口尺寸 N 的大小。窗口尺寸 N 由下列等式给出
这里 min 是最小值的意思，floor 是取整的意思，Tmax 值固定为 500ms。
IrLAP 协议层使用Go-Back-N 重传机制，在窗口传输的过程中重传跟在一个错误帧后面的正确接收的帧。图 5 是数据信息在主站和从站中的传输流程图。每个节点有 3 个变量，Vs 代表发射帧的数量，Vr 代表接受帧的数量，w 代表在反转链路方向之前，主站所能重传的信息帧 I 的数量。主站同时也使用 F-timer 来限制从站的传输时间。
图5 数据信息在主站和从站中的传输流程图
IrLAP 协议层模型概括为发射站有准备传送的数据信息，它传送 N 个连续的信息帧，在最后一个信息帧中设置 P 位，然后反转链路方向。接收器等待最短转换时间 tta，响应一个接受准备好信号(Receive Ready, RR),指示所期望接受下一个信息帧 I，RR 帧同时设置 F 位。发射器确定在发生错误前已经
接受的正确的信息帧 I 的数量，然后，在下一个窗口重传错误的帧和错误帧后面所跟随的信息帧 I。如果在窗口传输中最后一个信息帧 I 丢失，接收器没有响应，因为 P 位丢失。当 F-timer 时间期满时，主站发送带有轮询位 P 的 RR 帧给从站，来强制从站确认已正确接收的信息帧 I。
红外数据传输的基本模型
红外数据传输如图6所示，主要由微控制器、接口逻辑器件、编/解码芯片，红外发射器与接受器几大部分组成。
图6 红外数据传输的基本模型
IrDA 器件的构成及其使用
红外发送器件
红外发送器大多是使用 Ga 、As 等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的 LED 电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。该类器件的构成如图 7所示。红外发送器件在使用时通常需要串联电阻， 用以分压限流。
图7 内置驱动的红外发射器
红外检测器件
红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件， 有独立接收管构成器件的，有内含放大器的，有集成放大器与解调器的。后面两种类型的红外检测器件构成如图 8所示。接收灵敏度是衡量红外检测器件的主要性能指标，接收灵敏度越高，传输距离越远，误码率越低。内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器， 这类器件常用于固定载波频率(如 40kHz)的应用。
图8 红外检测器件构成框图
红外收发器件
红外收发器件集发射与接收于一体。通常器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收，以避免引入干扰；不使用红外传输时，该控制逻辑通过 SD 引脚接受指令， 关断器件电源供应， 以降耗节能。使用器件时需要在 LED 引脚接入适当的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层。该层不要直接接地，可以通过串联一磁珠再接地，以引入干扰影响接收灵敏度。红外收发器件的构成如图 9 所示。
图9 红外收发器件框图
红外编 / 解码器件
编 / 解码，英文简称 ENDEC，即实现调制 / 解调。编 /解码机制，SIR 器件多采用 3/16 ENDEC，FIR 器件多采用4PPM ENDEC。红外编 / 解码器件需要从外部接入时钟或使用自身的晶体振荡电路， 进行调制或解调。
红外编 / 解码器件，有单独编码的集成器件，如键盘遥控红外编码器 Mitsubishi 的 M50462AP；也有集编码 /解码于一体的，这类器件较为多见，其构成如图 10 所示。
图10 集成编解码器构成框图
红外接口器件
红外接口器件， 实现红外传输系统与微控制器、 PC 机或网络系统的连接。设计中经常使用的器件有 UART 串行异步收发器件、USB 接口转换器
件等。USB 接口器件，实现红外收发与 PC 机的 USB 连接。集成度较高的 USB 接口器件如 SigmaTel 的STIr4200。STIr4200 全兼容 IrDA1.3和 USB1.1，IrDA速率在 2.4k~4Mbps，内含有红外编 / 解码器和 4KB 的 FIFO 缓存，20/28 脚封装，可直接相联标准的 IrDA 收发器件，其构成如图 11 所示。
图11 USB-IrDA 桥接器 STIr4200的内部构成框图
红外数据传输电路设计的注意事项
① 要做好红外器件的选型。要求传输快速时， 可选择 FIR、VFIR 收发器与编 / 解码器。要求长距离传输时，可选择大 LED 电流、小发射角发射器和灵敏度高的接收检测器。低功耗场合应用时，可选取低功耗的红外器件。要注意低功耗与传输性能之间存在着矛盾：通常低功耗器件，传输距离很小。这一点在应用时应该综合考虑。
② 红外数据传输是半双工性质的。为避免自身产生的信号干扰自身， 要确保发送时不接收， 接收时不发送， 可以着眼于软件设计， 使软件在一种状态时暂不理会另一种状态；同时要合理设置好收发之间的时间间隔, 不立即从一种方式转入另一种方式。
③ 要合理设计好各种红外器件的供电电路，选择适当的 DC-DC 器件，恰当地进行电磁抑制，做好电源滤波。同时还要注意尽可能减少功耗， 不使用红外电路时要在软件上能够控制关闭其供电。很多厂家对自己推出的红外器件都有推荐的电路设计， 要注意参考并实验。
④ PCB 设计时，要合理布局器件。滤波电感、电容等要就近器件放置， 以确保滤波效果；红外器件与系统的地线要分开布置， 仅在一点相连；晶体等振荡器件要靠近所供器件， 以减少辐射干扰。
⑤ 增大红外传输距离、提高收发灵敏度的方法：增加发射电路的数量， 使几只发射管同时启动发送；在接收管前加装红色滤光片， 以滤除其它光线的干
扰；在接收管和发射管前面加凸透镜， 提高其光线采集能力等等。
红外器件厂家
主流IrDA器件供应商有Agilent, SigmaTel,Vishay, Sharp,Zilog 。
FAQ
3/16 ENDEC 编码
3/16 ENDEC，即把一个有效数字位(bit)时间段，划分为 16 等分小时间段，以连续 3 个小时间段内有无脉冲表示调制 / 解调信息。如下图所示。
图12 3/16 ENDEC
4 PPM ENDEC
在 4PPM 调制中,信息是通过脉冲在时间片中的位置来传送的。编码方式如图 13所示,两个相邻数据位组成两个数字位对 ( data bit pair, DBP)。DBP被分成 125ns的时隙。两个数字位的编码有 4个状态: 00, 01, 10, 11,取决于这些状态的表示位置。一个单一脉冲被分别放在第一、二、三、四 125ns的时隙里。因此,相位锁定在输入位流后,解码器能通过确定脉冲在 500ns时隙内的位置来确定数字模式。
图13 4 PPM ENDEC
参考文档
[1] IrDA器件及其应用电路设计.pdf
[2] 基于IrDA标准的红外无线通信原理及设计.pdf
[3] IRDA技术详细解析.pdf
[4] 基于IrDA标准的红外无线数字通信及应用.pdf
[5] 基于IrDA的串口通信设计.pdf
[6] 基于IrDA协议的红外无线通信机制研究
[7] IrPHY_1p4.pdf
