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浙江大学硕士学位论文红外名片交换芯片的设计 摘要 随着经济的发展，商务活动的增多，人们要保存和管理大量的名片，现有的 名片管理方法不能很好地解决这个问题。与名片相关设备，或者存在管理方法复 杂的缺点，或者不易携带，再者因为都是作为通讯、管理系统的附带功能，只能 实现本产品间的名片交换。本文就此问题提出了“红外名片交换专用芯片”的概 念，该芯片采用点对点红外通信的技术特点，结合系统集成方法，简化交换操作， 增强了交换的安全性和通讯质量，并提高了名片管理的水平和效率。 本文详细介绍了从交换到处理的系统芯片的设计。本芯片采用系统集成的方 式实现名片的红外交换和处理，传输速率定位在1 1 5 2 k b p s ，传输距离在2 0 c m 3 0 e r a 。名片的红外交换由模拟电路接收机，发送机和数字电路编解码电路实现。 其中，接收机包括带隙基准源，分压偏置电路，前置跨阻放大器，比较器和波形 整形电路；发送机则由发送保护电路和i l e d ( 红外发射管) 驱动电路组成。编 解码电路的设计参考了国际红外通信协议规范，采用3 1 6 信道p p m ( 脉冲位置 调制) 调制，从而降低红外发光管的功耗，延长红外便携终端的工作时间。该电 路还通过简单的错误检测( 循环冗余校验) 确保数据交换的质量。名片信息的处 理由数字电路r i s c ( 精简指令集处理单元) ，键盘电路和显示电路实现。r i s c 提供8 个基本指令，实现对接收到的名片数据的数字处理( 如数据存储，数据查 找) 和对待发送数据的控制( 如数据编辑) 。在架构上，考虑到系统对低功耗的 要求，本文将传统的扫描式键盘电路，更改为边沿触发信号的形式，加入外围电 路后，静态下，整体功耗仅为9 0 0 h a 5 v 。为了尽可能的减少输出引脚，键盘 采用一键多功能( 一键四值) 的方案。同时，由于红外名片交换芯片只有在有键 按下的情况下才开始工作，并响应用户要求，故加入电源管理功能进一步降低功 耗，电源管理主要采取以下措施：对时钟设定等级，由键盘唤醒，在空置等待状 态下，时钟终止，不消耗功率。 该芯片采用数模混合设计，参加了由上海集成电路中心( i c c ) 组织的m p w ( 多晶圆) 计划，在无锡上华半导体有限公司流片，采用上华5 v0 6 u m 混合 c m o s 工艺( 准双阱、双层多晶硅、双层金属) 。测试芯片分为红外传输芯片和 名片管理芯片两块，各为4 m m 2 ，并进行了封装和测试。 濒掘太学硕士学位论文红井名片交换芯片的设计 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s so fe c o n o m y , p l e n t yo ft i m ei sw a s t e di nm a n a g i n gb u s i n e s s c a r d sf o ri n t e r c o r r s e s 。n o w a d a y st h e r ea r en oe f f i c i e n tm e t h o d st or e s o l v ei t 。a l lo f t h o s eh a v et h i so rt h a tk i n do fs h o r t c o m i n g s ，s u c ha sc o m p l e xo p e r a t i o n , i n c a p a b i l i t y o ft a k i n go nh a n da n ds oo i l e s p e c i a l l y , t h ef u n c t i o no fe x c h a n g i n ga n dm a n a g i n g b u s i n e s sc a r d si sa c c e s s o r yt ot h em a i ns y s t e m s ，s oi to n l yw o r k sa m o n gt h es a m e p r o d u c t s s i n c et h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h i st h e s i sg i v e st h en e wc o n c e p tc a l l e ds p e c i a l i n f r a r e db u s i n e s sc a r de x c h a n g i n gc h i p 。t h e c h i po p t s f o ri n f r a r e dd a t a p o i n t - t o - p o i n tt r a n s m i t t i n gt e c h n o l o g y , i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fb u s i n e s sc a r d s m a n a g e m e n t , e n f o r c e st h es e c u r i t ya n dq u a l i t yo fr e c e i v e r s ，a n ds i m p l i f i e st h e o p e r a t i o n t h i sc h i ps u p p o r t sat r a n s m i t t i n gs p e e do f115 2 k b p sa n dat r a n s m i t t i n gd i s t a n c e o f2 0 c m 一3 0 c m 。t h ef u n c t i o no fe x c h a n g i n gc a r d si sr e a l i z e db yr e c e i v e r , t r a n s m i t t e r , b o t ho fw h i c ha r ea n a l o gc i r c u i t sa n dc o d e cc i r c u i t ，w h i c hi sd i g i t a lc i r c u i t t h e r e c e i v e r i n c l u d e sb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ，d i v i d eb i a sc i r c u i t ，t r a n s i m p e d a n c e p r e a m p l i f i e r , c o m p a r a t o ra n dw a v es h a p i n gc i r c u i t ，a n dt h et r a n s m i t t e r i sc o m p o s e do f p r o t e c t o ra n di l e d ( i n f r a r e dl e d ) d r i v e r o nt h eb a s i so fi n t e r n a t i o n a li n f r a r e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，c o d e cc i r c u i ta d o p t s3 1 6c h a n n e lp p m ( p u l s e p o s i t i o n m o d u l a t e ) t or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no f i l e d ，w h i c hbh e l p f u lf o rp r o l o n g i n g t h el i f eo fi l e d ，a n de n s u r e st h eg o o dq u a l i t yo fe x c h a n g i n gd a t at h r o u g has i m p l e e r r o rd e t e c t i o n c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c ec h e c k ) t h em a n a g e m e n to fc a r dd a t ai s d o n eb yr i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) ，k e y b o a r dc i r c u i ta n dd i s p l a y c i r c u i t a l lo fw h i c ha r e ；d i g i t a lc i r c u i t s r i s cp r o v i d e s8r e d u c e di n s t r u c t i o n st o s u p p o r ta l lf u n c t i o no fe x c h a n g i n g ，s t o r i n g ，e d i t i n g ，s e a r c h i n g ，a n dm o d i f y i n gt h e b u s i n e s sc a r d s 。a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f e x c h a n g eb u s i n e s sc a r d ss y s t e m ，t h e k e y b o a r dc i r c u i ti sr e a l i z e db yi n s p e c t i n gi n t e r r u p t i o n , w h i c hc a l lk c e pt h ep o w e r c o n s u m p t i o nl o wc o m p a r i n gw i m t r a d i t i o n a lp o l l i n gc i r c u i t i t ss t a t i c p o w e r c o n s u m p t i o ni s9 0 0 n a x 5 v i na d d i t i o n ，t h em a n a g e ro fp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e dt o l o w e rt h ep o w e rc o n s u m p t i o nf u r t h e r t h ew h o l e c h i pi sw a k e n e db yk e y b o a r dc i r c u i t ， 稳a tm e a n sw h e nn ok e yi sp r e s s e d ，t h ec h i pi si nw a i t i n gs t a t e ，i nw h i c ht h ec l o c ki s s t o p p e d a n dn op o w e ri sc o n s u m e d 。 t h et e s t i n gc h i p sa r eo nt w od i eo f4r n m 2u s i n ga5 vo 6 u mc m o sm i x s i g n a l t e c h n o l o g y ( d o u b l ew e l l ，d o u b l ep o t y , d o u b l em e t a l ) i n c l u d i n ge x c h a n g i n gp a r ta n d d i g i t a lc a r dm a n a g e rr e s p e c t i v e l y t h et e s t sa r ea l s oa c c o m p l i s h e d + 浙江太学硕士学位论文跹外名片变换芯片的设计 第一章概论 1 1 论文背景及意义 随着经济的发展，商务涵动日盏频繁，人们在交往过程中交换纸旗名片越来 越鞭繁。胃怒纸蘼名薜存在分类繁琐，套蔑溺难静靛杰，因魏，名片的电子存储 方案应运而擞。但是，要把得到的纸成名片转存入电子设备也是一项憾人的工作。 由汉王等谈剐系统公司推出的名片扫描技术缀然简他了输入，僵仍然没能实现方 便携絷和随时查找的功能。避几年，隧藿无线便携技术的兴起，无线数据传输褥 到了广泛的应用，同时也带来名片交换方式上的变革。经过调查，大多数名片使 遐菪熬主要名片存熊分震是攀一懿，并慰隧舞瑕务懿要求镶疑。强戴，毅型豹移 动电话、p d a ( 个人数字助理) 等设备都提供了与自已系统兼容的名片功能，可 爨在慕骞系统中交羧，存祷夫囊豹名片信意。毽宅稻大多只怒设备裔提供豹项 附属功能，并且交换名片操作复杂，适用范圉小。本文的设计思想就是在此熬础 上笈矮成熟豹。本文提出“专瘸名片交换芯片”的耩念，该芯片专稻子解决名片 交换、存储和查找方面的问题，指令简化，提供针对名片使用方法的专有设计， 降低功耗，掇商系统性能豹稳定性。 瑗在，实凌无线瞧子名冀交换酌技寒邑缀残熬。袋霉震劐戆是数终无线数爨 通信方式。 1 2 与谦题裙关的技术及其发展现状 经乡 无线数字邋谖是一耱采弱终耱线终为逶谖载体、霹潮予室内舞、墩黢努 线实现点对点及无线红外l a n ( 局域网) 的通信技术【l l ，该技术广泛应用于语 啻季疆数据遥信领域。 1 2 。l 簿分 通常，红外无线数字通信分为室内通信和室外通信两种类型。这两种通信类 型囱于通信德道、传输速度帮限希l 功耗的差髯，导致所采用静发莉和按收视结构， 浙江大学硕士学位论文红外名片交换芯片的设计 c o d e , ：( 编解码) 方法也不相同。其中，室外红外无线通信指空间红外无线通信， 其在军事上的应用比较多，比如s m a r td u s t ( 智能微尘) 军事红外通信技术等。 由于室内红外无线通讯与其它通信形式相比有着成本低廉、连接方便、简单 易用和系统结构紧凑的特点，其在消费电子领域得到了广泛的应用。在日本， m r rd o c o m o 初步计划将新机型“数字移动者5 0 3 i 系列”中的n e c 制造的“n 5 0 3 i ” 和松下通信工业制造的“p 5 0 3 i ”这些手机提供红外接口以完成用户问的电话薄信 息和日程信息的交换。据悉该公司将在新一代“5 0 4 i 系列”的全部机型中标准配备 红外接口。一些产品门类广的知名公司，如三星等，推出了适用于本公司产品之 间的信息共享的红外数据通信存储功能。 红外无线数字通信系统的性价比高，实现简单，不受无线管制，具有抗电磁 干扰及便于高速应用等特点。随着标准化工作的进行，该技术已经成为一种具有 广泛前景的室内无线通信技术。 正如上所述，红外技术的发展为电子名片交换芯片的设计提供了很好的技术 准备。 1 2 2 为何采用红外通信技术 用红夕 室内技术是电子名片交换芯片的最好选择。这是因为： 1 成熟的技术标准参考k d a ( 红外数据协会) 为了建立一个统一的红外数据通讯的标准，1 9 9 3 年，由h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司发起成立了红外数据协会( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 墒称i r d a ) ， 1 9 9 3 年6 月2 8 日，来自5 0 多家企业的1 2 0 多位代表出席了红外数据协会的首 次会议，并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致。现在国际上已有1 6 0 家 公司加入该协会，其中有消费性公司、信息公司、通讯公司、软件公司、半导体 公司和研究机构，例如a g i l e n t ，a p p l e ，c a n o n ，c a n o i ls ge r i c s s o n ，e s i ，h p ， i n f m e o n ，i n t e l m i c r o s o f t ，m o t o r o l a ，n o k i a ，n 1 t ，p h i l i p s ，s h a r p ，s o n y ，v i s a ， v i s h a y ， w a s e d au n i v e r s i t y ，w i n b o n 等。k d a 成立一年以后，第一个i r d a 的 红外数据通讯标准发布，即i r d a l 0 。k d a l 0 简称为s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) ，它是 基于l i p s i r 开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。s i r 以系统的异 浙江太学硕士学位论文红外名片变换芯片的设计 步通讯收发器( v a r t ) 为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光 绩譬毫菰i 枣豹波形扩曩这虢褥解褥过程搿1 6e n d e c o d e ) 实珑红乡 数据簧输。由 于受到u a r t 通讯速率的限制，s i r 的最高通讯速率只有1 1 5 2 k b p s ，也就是大 家熬知静电弦率 亍端日的豢高速率。i r d a 的成立极大鲍稳避了红矫技术酌发震 和应用，势不断提出新的标准【z l 。 2 红外通信与b l u c t o o t h ( 蓝牙技术) 为代表的其它缀砸离通信技术比较优 煮疆显。 b l u c t o o t h 是作为种“鬯缆替代”的技术提出来的。发展到今天已经演化成 了一种个人信息网络技术。它将内嵌蓝牙芯片的设备甄连越来，提供语音和数据 鲍接入服务，实瑗傣患蛉鑫动交换嬲处理2 l 。 红外数据通讯协议将红外数据通讯所袋用的光波波长的范围限定在8 5 0 r i m 至9 0 0 r i m 之内。由于红辨线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以受适合 应用在需要短距离无线通讯的场会，进行点对点的点线数撼傣输，以半双工方式 进行通讯。 举一个缀麓鼙豹镯子，设怒在一个会议厅墨入稻正在穗互溺交换窀子名笄。 小范围、窄角度( 3 0 度) 的i r d a 怒以对准发射的方式与接收方建立连接的。并 强在有限藏疆蠹衰减。所以在交换魄子名片时，发送方需要走迸接收方并潦准接 收方的设务进行( 商3 0 度的发射角) 。这样，有限的范围裁角度可以使其它人傲 同样的事情而不会弓f 起相飘间的干扰。从而用最简单、安全和自然的方法达到名 片交换的爨鲍。 而在同样的情况下，b l u e t o o t h 却表现较整。它的全方位特性使得它要诧疆长 辩间我出众多设备中哪一螽才是要接收的。当然用户可以强遍跌设备列表中选定 适期设备( 例如根据它的4 8 位地缴或用户名) ，但这无疑增加了程序的复杂度和 系统的不稳定性。又由于b l u e t o o t h 有一对多点的交换数攒能力，敞它需要额外 戆蜜全接羧来防止泰经授权懿接收。 2 红外技术具有成本低廉、遣接方便、简单易用和系统结构紧凑的特点 红外数据通讯商着成本低廉、逸按方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此 浙江太学硕士学位论文缸外名片变换芯片的设计 在小型的移动设备中获得了广泛的成用： 手瓿遵讯产晶； 数攒逶绩产蒹，翔笔记本毫瓣、台式p c 撬激发努鼙祝等癸爨设备； 数字图象产懿，妇数码相机、光学成慷打印机； 医疗器械以及工业数据采集器等。 缎外技术提供了一种方後的无线连接方案。我们从i r d a 协会收粲到的淤料 表明，因乡 在红外收发器产品的生产上由于起步早，曩形成了红雏收发器的配套 生产产业链a 如s h a r p 等公司主要提供红外发光二极管和光敏二极管，a g i l e n t 等公司主要设计卷终媛乡 收发鬃残惫鼹芯片淡诗，数及b 蠡n 姻n 等公霹主要铁事 红外收发器封装的厂家，i b m 、m i c r o s o f t 等公司则编霹红外收发器的驱动程序和 红穸 遥逶软 孛。其中有些公司( 鲡a g i l e n t 、v i s h a y 簿) 莛莹产一系确豹缝姊收 发器产品，而一些太公司( 如i b m 、h p 等) 则专门为自己的公司产品配备缎外 收发嚣。狠攒台湾巍电科技工韭协会( p i d a ) 的资料，在台湾遗区 照形成这样 一批红外收发器产品的生产厂“家和公司，但在大陆地嚣则只蠢一些电子器件镳售 公司在傲这麓国际公词和台湾公司的红外收发器产品代理。据市场调研了解劐， 尽裁疆肉还没有哪家微电子厂家开发磅剖具骞鱼主产权的该炎产品。另据奁湾 p i d a 协会的资料表明，红外收发集成电路产晶在可携式产品中的应用潜力很大， 毫诲多瘟援场合还没商褥弱嶷骞的秀发或者逐没有逡入泰场纯夔段。除了在手提 上配鬣红外收发通讯接口接i 琏市场化外，数码相机等产品上的应用现猩还处于未 藏熬输段，簧市场纯迩有一寇距离。随着菝拳藏熬、簸奉下降，疑癸收发囊威电 路在近距离通讯领域的应用必定更加广泛。 综上所述，设计款具有良好性能的短距离可视范围内的“名片交换”芯片， 采建经乡 逶臻技术楚一耱 鬻理想鹣选择。瓣瓣，戚熬懿技零耘攫i r d a 逶镲方 案也为它提供了良好的技术保证。 1 2 3 红外数据遥讯协议( m d a 标准) 效癸数爨逶最秘汉( i r d a 标准) 惫括三鬣强露经狯议：秘理层瓣菠( p h y s i c a l l a y e rl i n ks p c c i f i c a t i o n ：k p h y ) ，链接建立协议( l i n k a c c e s sp r o t o c o l ：i r l a p ) 和 4 浙江大学硕士学位论文红补名片交换芯片的设计 在小型的移动设备中获得了广泛的应用： 手机通讯产品： 数据通信产品，如笔记本电脑、台式p c 机以及打印机等外围设备； 数字图象产品，如数码相机、光学成像打印机； 医疗器械眺及工业数据采集器等。 红外技术提供了一种方便的无线连接方案。我们从i r d a 协会收集到的资料 表明，国外在红外收发器产品的生产上由于起步早，已形成了红外收发器的配套 生产产业链。如s h a r p 等公司主要提供红外发光二极管和光敏二极管，a g i l e n t 等公司主要设汁制作红外收发集成电路芯片设计，以及扯f i e o n 等公司主要从事 红外收发器封装的厂家，i b m 、m i c r o s o f t 等公司则编写红外收发器的驱动程序和 红外通讯软件。其中有些公司( 如a g i l e n t 、v i s h a y 等) 是生产一系列的红外收 发器产品，而一些大公司( 如m m 、h p 等) 则专门为自己的公司产品配备红外 收发器。根据台湾光电科技工业协会( p i d a ) 的瓷料，在台湾地区也形成这样 一批红外收发器产品的生产厂家和公司，但在大陆地区则只有一些电子器件销售 公司在做这些国际公司和台湾公司的红外收发器产品代理。据市场调研了解到， 目前国内还没有哪家微电子厂家开发研制具有自主产权的该类产品。另据台湾 p i d a 协会的资料表明，红外收旋集成电路产品在可携式产品中的应用潜力很大， 有许多应用场合还没有得到应有的开发或者还没有进入市场化阶段。除了在手机 上配置红外收发通讯接口接近市场化外，数码相机等产品上的应用现在还处于束 成熟阶段，离市场化还有一定距离。随着技术成熟、成本下降，红外收发集成电 路在近距离通讯领域的应用必定更加广泛。 综上所述，设计一款具有良好性能的短距离可视范围内的“名片交换”芯片， 采用红外通信技术是一种非常理想的选择。同时，成熟的按术标准i r d a 通信方 案也为它提供了良好的技术保证。 1 2 3 红外数据通讯协议( i r d a 标准) 红外数据通讯协议( i r d a 标准) 包括三层强制性协议：物理层规范( p h y s i c a l l a y e rl i n ks p e c i f i c a t i o n ：i r p h y ) ，链接建立协议( l i n k a c c e s sp r o t o c o l ：h - l a p ) 和 l a y e r l i n k s p e ：c i f i c a t i o n ：i r p h y ) ，链接建立协议( l i n k a c c e s s p r o t o c o l ：i r l a p ) 和 瀵蛙大学龋士学靛论文斑井名片交换芯片韵璇诗 链接管理协议( l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ：i r l m p ) 。其中第一层的i r p h y 为健输 的特性、数据的壤解码，划定了红步 数撂逶讯硬捧设计上的瑟栋和要求；i r l a p 建立霹靠鹃镱接，i r l m p 提供多种暇务的管遵，这两个失软传层，受赛对链按进 行设鬣、管援和维护。 圈巴嬖 强1 ai r d a 糠难协议魏结构 丽在这三个协议罄础上，钟对一夔特定的豇外数据通讯应用领域，i r d a 还赡 续发布了一鉴更高级剐韵红外协议，称为可选择的协议，如i a s 强i r d a 揍议援 层，负责搜寻服务；t i n y t p 为数握渡的控毒i ，包窘i r l a n 、l r o b e x 鞫i r c o m m 等的网络、数掘交换靼沟遽的功能等( 擞图1 1 ) 。 裴i 1i r d a 拣猴规定鹩特性 矗秘a 1 0矗饼1 ii r d a l 2i r d a l 3i r d a l + 4 | o 2 m ( 1 0 wp o w e rt ol o wp o w e r ) 8 m 传输距离 l m 0 3 m ( 1 0 wp o w e rt os t a n d a r d ) 9 。6 k b p9 6 k b p s9 6 k b p s9 6 k b p s9 ，6 k b p s 传输速攀 一1 1 5 2 k b p s4 m b p s1 1 5 ，2 k b p s4 m b p s1 6 m b p s 角度 o - 1 5 。“一1 5 。十，1 1 5 。+ 1 5 。“6 矿 响斑时间1 0 m s1 0 m s 5 0 0 a s5 0 0 # s l o o p s 物理瑶筑范( h h y ) ，是裁定筑争 数据遇谖奁磷绺上黪爨泉，帮规定了自由 空间中点对点电器设蠢之阀采用半双工遥瀑抟致岁 链接稼准。i r d a 飙1 9 9 4 年4 月发夺版本1 0 到2 0 0 1 年5 弼发布敝本1 4 ，一方面将红井数据通讯的佟输速率 从1 1 5 2 k p b s ，提高到0 5 7 6 m b p s 和1 1 5 2 m b p s 、4 m b p s ，最商到1 6 m b p s ；另 5 t，；，毒 整建墨謦漩誊黼性簧 浙江太学硕士学傲论文虹外名片交换芯片的设计 方面则考虑了低功耗。表1 1 对五个i r d a 标准协议的几个特性进行了比较。 该协议包括了有效输出按嗣和有效输入接口以及企部链攘，还爝定了数据校 验规则，同对在驸泶中规定了测试嫂范，逡套于红终数据邋讯设备之趣距裹在 i m ( 低功耗传输时为2 0 c m ) 以内的通讯。 耽翔，协议巍定在祗予l 。1 5 2 m b p s 酵，采用妇鼙碣( r z i ) 琢狰诵制送行编 码，在4 m b p s 时采用4 p p m ( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 编码方式，丽在1 6 m b p s 对采用r m r i ( 1 ，1 3 ) 编码方式。 资议燕定了各秘褥辕速警豹数撵梭结擒：低予1 1 5 。2 k b p s 煞簇缝稳与u a r t 、 串口有相同的数据格式，即一个起始位、8 个数据位、一个停止位；0 5 7 6 m b p s 帮l 。1 5 2 m b p s 、4 m b p s 、1 6 m b p s 分猁采用魏鬻1 2 巾( a ) 、( b ) 、( c ) 所示酌帧 结构。 圜二三二至圈 $ t ： 州m 咐r ；雌0 1 1 t t i l l ) b - _ y i 黼e 喃胤姻靠刚 o f 巍8b t c “奔喇f 嘲0 8 l 静沁拟s # f 瓣1 8 ，饕粕栅 & c c 群撼k s i 秘。蜘f 嘲辩，甜 $ 酶髀 ( 钔 伪) ( c ) 强1 2i r p h y 瓶定豹谨输数据谈结梅 协议规定红夕 波长范喝为8 5 0 9 0 0 n m ，接收时光线入射半角为1 5 3 0 。， 传输速率低予1 1 5 2 m b p s 时，接收的误码率不能超过1 0 - 9 ，传输速率为4 m b p s 时，误码率不超过1 0 8 ，有效数据煲竣距离不大于l m 。 出于红外器件有不同的传输速率，而每种速率中根据标凇型器件( s t a n d a r d ) 和 蠢功耗墅嚣传( 1 0 wp o w e r ) 又分为s t a n d a r dt os t a n d a r d 、t o wp o w e rt ol o wp o w e r 、 l o w p o w e r t os t a n d a r d 三种情况，h p h y 还给这赌情况矜别规定了红外数据通讯在 链按时各种参数的参考值。 链接建立协议( i r l a p ) 是餐定魏 霉建立红矫数凝逶逶戆数据镶接鹃蕊魏。 该协议是基予早期的标准异步h d l c ( 高级数据链路控制) 和s d i 以( 同步数据 6 一 浙江火学硕士学位论文一虹外名片交换芯片的设计 链路控制) 的半双工协议，悬在物理层协议的基础上进一步规定了通讯协议中堆 援豹分配。嚣藩只霹l o s ( 羹西eo fs i g h t ) 方式揍了篾定，毯话撩议黻务、秘凌 假设、协议实现的消息表、对消息的编码、消息交互规范。也就是k l a p 规定了 珏岁 数据链掰层鹣l 陵务规范、拜凌鞠攥箨特鬣、帻结构、顿类登、操作程序。 下嚣惩鼹幅图来说骥这今数摆链接的过援。蓬1 3 是i r l a p 携议中数据缝接 层的服务规范( d a t al i n kl a y e rs e r v i c es p e c i f i c a t i o n s ) ，图1 4 是i r l a p 协议中工 睾滚程秘攘述( d e s c r i p t i o no f o p e r a t i n gp r o c e d u r e s ) e 另外，该协议适用于点对点或点对多点传蛉，因此会毒一个主节点，其它必 从节点，所有数据的通讯都雀主节点和从节点之间进行，不能在从节点之间进行。 u p p e rl a y e r i u e s t c o a l i t r n i r l a p 个 l a y e r ： f u p p e rl a y e r 、 n 5 el n c i r l a p 个 ：l a y e 一一一一一一一! 雹箩警l 一一一一一j 图l ，3i f b 拉协议中数据链接层的服务搜范 霭l 。4 搬。茂p 耱议审工作滚程羽箍述 镳接管理协议( i t l m p ) 是对红外数据遴讯中链接进彳亍管理。该掺议为多个 软件应用能够独立、阀时地操作入口掇供支持，从而熬享个i r l a p 逑接。i r l m p 7 浙江大学硬士学德论文瓤外名片交换芯片的设计 对设备的发现、多路链接、镳接控制制定了规范，使用i r l a p 提供的服务，并向 上瀑客户( 爨舞费埝实薅或液霆程露 提供黻务。 i r l m p 攒述了两种链接管理层：链接管避多路笺用嚣( t h el i n km a n a g e m e n t m u l t i p l e x e r ，l m m u x ) 和链接管理信息访问服务( t h el i n km a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n a c c e s ss e r v i c e ，l m i a s ) ，并毽牾了宅稍瓣内部缀缓、撼镞靛服务、 帧组织、状态机以及状态事件表。如图1 5 魑这两种链接管理层在通讯协议结构 孛懿经置。 图l 。5 红外数据通讯协议结梅中的链接管理层 目前，这三层强制性协议在红外数据通讯中使用的版本是：i r p h l l p 4 ( v e r s i o n1 4 , 2 0 0 1 ) 、i r l a p l l ( v e r s i o n1 1 ，1 9 9 6 ) 、i r l m p l l ( v e r s i o n1 1 ，1 9 9 6 ) 。 1 2 。4i r d a 的三耪异步实现方案 “f 面介绍传统的繁于k d a 标准数外数据通信设计方案，它们的区别主要 在予宰行数攒静来滚蠲编码鹣部位翡不同。传统设诗燕要考虑鹩因素蹙系统横块 的组含特性。 ( 1 ) 带编码解码的u a r t ( 通用异步收发机) 结构 ( 2 ) r s 一2 3 2 端搿结构 3 g ：s u p e r 阳靛4 m b s 戆维羧。 8 浙江大学硕士学位论文红外名片交换芯片的设计 1 带编码，解码的u a r t ( 通用异步收发机) 结构 典型应用：个人数字助理( p d a ) 、工业控制器。 许多电子仪器，如p d a 、工业控制器，可以采用1 6 5 5 0 或类似的用于i o 的 u a r t 、嵌) 入a s i c 的u a r t 。如图1 1 所示，u a r t 的t x d ( 信号输出端) 输出为n r z ( 不归零) 信号，它是1 0 0 的位宽。这种信号必须在发送前被调制，接收时被解 调。一片分离的编码解码芯片，如h s d c - - 7 0 0 0 被用作调制和解调数据。 h s d l l 呻1 ，1 0 0 1 6 5 5 0 型u a r t 、微控吲编码解l - 二三兰 i 制器、带1 6 x 的嵌入l r x d l 码器i i r r x d l 式i 0 卜_ 1 卜一 i r 发射 奉 接收器 1 6 x 时钟 l 图1 61 6 5 5 0 型或带1 6 x 时钟的嵌入式u a r t 图1 6 中的h s d l - - 7 0 0 0 有一个i r t x d 输出信号，它具有3 1 6 的位时隙( 1 6 个 时隙中的3 个) ，1 6 x 时钟可由简便的u a r t 输出口提供，通常叫做波特率输出( b a u d o u t ) 。 在图1 7 中，被接收的脉冲( i r r x d ) 由编码解码器解调为1 6 个时钟脉冲宽度， 或者为最初的位周期。链路两个终端的时钟并不需要同步，但是却需要工作于链 路连接时定义的同一频率。k d a 发射器是专门为调制数据设计的， 1 6 埘辨 巾 l r t 巾 ，l 硎唧、 眦。麟。眦 n门 气户 i 6 x 时钟 1 m b 融d 碱时钟、 腻。眦腻 l ：码k ( a )( b ) 图1 7 ( a ) i r 发射器波形变换，( b ) i r 接收器波形变换 9 浙江大学硕士学位论文牲扑名片交挠芯片的设计 2 r s _ 吨3 2 端口缩构 典型应溺：对r s 一2 3 2 端口增加i r ( 红井) 功能。 数溃墨霹戳设诗褥与r s 一2 3 2 蝼鞠癸嚣工挥，竞袋终端竣备熬稳莲暹售，氇 可设计成扩展的佩适配器。如图1 8 所示，在这种结构中，数据需要被编码，但 是不貔产生辩镑信号。释锋将在逶配瓣中产生，为了实瑗离子9 6 k b s 的速率，需 要一个可编糕的时钟。而且，霈要用可通信的r s 2 3 2 的接口电路，把电平从r s 一2 3 2 电平转换为逻辑电平。另外，遥需要提供充分的功率，以便在俺输数据时， 电平峰值能激发l e d 。在数攒率低于1 1 5 。2 k b s 畦，脒燕将被固定在1 6ns ，丽不是 3 1 6 的数据零，因而降低了平均电流。 麓1 。8 鬏s 2 3 2 逶配器 3 2 4 k b s 4 m b s 数据率方案 媳型应用：笔记本电脑、打印机殿其它带i s a 或p c i 芯片的设备。 t r d a l 1 敝本撬范把数据攀提高到4 m b s ，这就要求必须蠢不同子筒便u a r t 的y 0 接口，也需要不同的调制方案。4 m b l s 的物理鼷方框图看起来类似于低数 据率的方框潮，只是u a r t 和编码解码电路被用于4 m b s 的k d a 数字通信的i 0 设鍪( 如s u p e ri o ) 替换两已。因必鼹蠢的翻x 链路都溪要以9 6 k b s ( 飕彭1 6 调制) 数据察来启动，所以这个设备同时为1 1 5 2 k b s ( 3 1 6 调制) 信道和4 m b s ( 4 p p m 调制) 售遴缡羁彝瓣羁。诲多i 0 芯片霹鞋逡攘裂p c i 蓦线窝i s a 蕊线一乏。 如图1 9 所示，在此方案中，s u p e r i 0 芯片的串行炽输入输嫩直接姆l r 发送器 的输入输出i s t 相连。s u p e ri o 芯片的工作模式由它翻身内部的配置寄存器番配 置位来设定。这些配援位包括：半双工方式、k d a 、s i r 、发送活性藤、接收活 性低等。 1 0 浙江大学硕士学位论文红外名片交换芯片的设计 图1 92 4 k b s _ _ 4 mb s 数据率方案 1 3 本论文主要研究工作 本课题要完成从交换到处理的系统芯片设计。设计采用红外线实现名片的交 换，采用带编码解码的u a r t ( 通用异步收发机) 结构，传输速率定位在 1 15 2 k b p s ，传输距离在2 0 c m 3 0 c m 。 值得一提的是，本设计完全采用正向的设计方法，拥有自主知识产权。同时 还把红外接收发送机，编码解码器以及数据的处理电路集成在单一芯片上。还有， 现今市场上推出的红外收发集成芯片都采用b i c m o s 工艺，而本设计则采用 c m o s 工艺，这有利于工艺的实现，提高了工艺兼容性。 图1 1 0 系统解决方案 浙江大学硕士学位论文匀：外名片交换芯片的设计 该方案具有系统稳定性好的优点。整体设计方框图如下图1 1 0 所示。图中可 以看到，红外光敏二极管，红外发射二极管都采用普通的分立器件，放置在芯片 外。两个管子的特性对电路设计影响很大，因而对其进行了测试，测试结果见第 五章。 设计中用到的模拟部分设计为：前置跨阻放大器，基准源，分压偏置电路【4 】， 比较器，波形整形电路，发送保护电路和i l e d ( 红外发射管) 红外发送电路， 见图1 1 1 。由图中可见，模拟部分实现接收机和发送机的功能。由于上华d p d m 工艺中无外延层，衬底噪声对电路产生很大的威胁，即增加了误码率，又提高了 电路的功耗，因此，除版图中采用保护环外，电路中还大量采用了差分结构，以 抑制其加性噪声的影响。 i 一一一j 发送机 图1 1 l 模拟部分电路结构框图 数字部分划分为：编解码电路，键盘电路， r i s c ( 精简指令集处理单元) 和显示电路。 在架构上，考虑到系统对低功耗的要求，本文将传统的扫描式键盘电路，更 改为边沿触发信号的形式，加入外围电路后，静态下，整体功耗仅为9 0 0 n a x5 v 。 为了尽可能的减少输出引脚，键盘采用一键多功能( 一键四值) 的方案。键盘按 键安排如图1 1 2 。 浙江大学硬士学位论文红井名肆交按芯片的设计 鬻1 1 2 键盘按键安撵示意图 红羚数握遁售领域的个关键技本是期掘改避光脉油弱调制方法( 如改进 p p m 的调制方法) ，以降低红外发光管的珊耗，延长红外便携终端的工作时间。 褒参考i r d a l0 蛰议赘魏骥链路屡耀范基鼹土，本文罴蠲了3 1 6 信遭p p m ( 辣 冲位置调制) 调制 6 11 9 】，编码、解码电路采用c r c c c i t t 结构。 c r c ( x ) = x 1 6 + x 1 2 + x 5 十1 r i s c 中在传统的8 指令集基确上设计了p l d a ，p s t o 指令，完成闻横缝蛙 的读取和存照。 由于级外名片交换芯片只有在有键按下的情况下才开始工作，并响应用户要 求，故热入电源管蓬功能避一多豫低功耗，邀深管瑾主要采敬以下措藏：对时镑 设定等级，由键盘唤醒，在空置等待状态下，时钟终止，不消耗功率。当键盘唤 醒时钟后，分为2 个等级滋行处壤，在传送和接收数据，存储，套我数据的情况 下，时钟全速运行，最快响应，丽在输入釉显示劂期中，由于外部输入和响应较 慢，时钟中速运行，降低系统功耗。采用本电路爨大的挑战是时钟唤醒时刻出现 豹辑动可缝弓l 发戆错误确盛。如憷使霹镄变她平稳，可分瓣。 从中弼咀看到，这里采用了一种新的结构来实现红外数据的低速通信，在系 统的稳定往、功耗等方露簸了考虑。本文所述的i 作参热了上海i c c 的多潴菡诗 划( m w p ) 。 浙江走学硕士学位论文红井名片交换芯片辩设计 1 4 芯片管瓣介绍 零蕊冀有3 2 令管脚，努蠢冤圈| + 1 3 ，管辫功辘糖述按发l 。2 爱示。 v d d g 建d ( ) n ，o f r e n a b t e d i s p d i s p _ 0 d i s p _ 3 i r , 4 悖3 煳k p e , 3 i 诤啪 d i s p 4d i s p l i 霆l ，| 3 芯片餐蠢l 荽分毒鬻 表1 2 芯片管脚功能描述 警辫蓉脚 序号 管魔名称功麓搔遮 性质 p l n lv d d 输入电源电隧( 5 v ) p i n 2g n d 输入地 p l n 3o n o f f 输灭开，美 p r n 4 e n a b l e _ d i s p 输出 显示使能 p i n s d i s p _ 0 输出“米”