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微型计算机原理课程设计 李焕富 1100331微型计算机原理课程设计报告摘要：重点研究微型计算机的短距离红外无线通信技术，设计红外接口和数字录音接口电路，编写应用程序，实现文本、图形和语音数据的红外无线传输。1 设计任务及要求（1）微机红外接口的设计与调试 在异步串行通信接口芯片8250的基础上，按照IRDA物理层协议，采用RZI(反相归零)调制方法，设计一个红外接口，其中的脉冲调制发射电路，将串行数字信号转换为红外光脉冲，其中的脉冲解调接收电路，将红外广脉冲转换为串行数字信号，再通过编程实现双机短距离无线通信。（2）微机文件数据的红外无线传输 先编程实现文本和图形文件的读出（显示）和保存；再通过红外接口编程实现文本和图形文件的短距离无线发送和无线接收。（3）微机语音数据的红外无线传输 设计并调试一个数字录音接口电路，其中包括A/D转换电路和D/A转换电路，先编程实现语音信号的输入和保存和读出回放，再通过红外接口编程实现语音信号的短距离无线发送和无线接收，并且回放出声音。2 方法论证目前微型计算机的短距离联接大都还是有线（电缆）联接，微机之间以及微机与外设之间的联线往往造成麻烦。个人通信是人类通信的最高目标，其目的是实现任何人（Whoever）在任何时间（When ever）、任何地点（Wherever），能够向任何其他人（Whomever）传送任何信息（Whatever）的通信（即5W）。为此，就要充分利用现有的各种网络和技术，根据业务不同的特点选择不同的网络。在近距离室内通信中，蓝牙技术和红外无线接入技术使无线通信变得十分容易，将计算机技术与通信技术更紧密地结合在一起，人们可以随时随地进行信息的交换与传输。正是因为如此蓝牙技术和红外无线接入技术受到了极大的重视，得到广泛的应用。短距离联接到发展必然要走向无线联接，目前主要的短距离无线联接技术有红外通信技术和蓝牙通信技术，前者采用红外线，后者则采用无线电波作为信息传输的媒介。这两种技术各有所长。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合于应用在需要短距离无线通信的场合，进行点对点的直线数据传输。3 两种技术的标准化进程(1)蓝牙技术标准化进程蓝牙无线通信技术作为一个技术规范出现的，该规范由爱立信公司于1994年提出是蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SpecialInterest Group，SIG）中许多公司合作的结果。SIG于1999年7月颁布了蓝牙技术的第一个完整的规范，即规范的版本10，该版本卷1是核心规范，卷2是协议子集。由于版本10推迟了一些重要应用模式的开发，随着蓝牙技术的发展和版本10的产品化，不断涌现出大量的新想法，2000年，在爱立信和诺基亚的领导下，成立了制定版本20的工作小组，在版本10的基础上提高数据速率、改善基带功能及支持漫游切换等。目前制定工作尚未完毕，这里以版本10为蓝牙标准。(2)红外无线接入技术标准化进程红外无线接入技术是以红外线作为通信媒质的特定应用，也是一个技术规范。相比之下，红外无线技术比蓝牙技术更加成熟，其标准化进程相对要早了许多，最早是1979年IBM公司的FRGfeller发表了一篇较有影响的关于室内红外无线通信设计与实验的论文，引起业界的关注，1993年，红外数据协会（IrDA）制定了第一个标准称之为IrDA10，这比蓝牙技术的第一个规范要早6年时间，在蓝牙规范第一次发布之时，红外无线技术已经广泛应用。红外数据协会又于1995组织、制定了新的规范，IrDA11，它允许数据传输速率达到4Mbps。这里以版本IrDA11为标准。4、两种技术特点的介绍(1)蓝牙技术蓝牙是一种开放的技术规范，其目的是为了在世界上任何一个地方，实现短距离无线语音、视频和数据通信。具体特点如下： （1）使用24GHz的ISM公用频段，可不必申请专用许可证； （2）以时分双工进行全双工通信，理想通信距离为10厘米到10米，配置功率放大器可使通信距离进一步增加； （3）采用快跳频、短分组和前向纠错技术，可有效降低干扰，提高通信的安全性； （4）采用FM调制方式，使设备变得更加简单可靠，使终端更加轻便； （5）业务分配灵活，可以支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步话音的通道； （6）每一话音通道可支持速率64kbps的同步话音，异步通道可支持前向速率721kbps，反向速率576kbps的非对称连接，或者速率4326kbps的对称连接。其单向最高数据传输速率目前可达2Mbps。(7)蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信。几个相互独立、以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网由不同的跳频序列来区分。在同一微微网中，所有的用户均用同一跳频序列同步。拓扑结构如图1所示。 图1 分布式网络 (2)红外无线接入技术红外无线接入技术是以红外线作为通信媒质的特定应用。其工作频段为34093.529 105GHz，红外数据协会制定了一种标准的红外通信方法。这种方法包括通常用在移动电话、笔记本电脑和掌上电脑中。IrDA也是被设计用于短距离、低功率、无许可证的通信。 IrDA也定义了物理层和实现互操作通信的软件协议栈。其具体特点如下： （1）工作在850880nm的红外波段，发射器信号强度为10mW左右，有效范围为30度，接收器可探测4500Wcm2的光信号，有效范围为30度锥角； （2）采用半双工技术，通信距离1m左右； （3）其信源编码技术主要采用脉冲位置调制（PPM）； （4）链路接入协议与半双工链路控制协议类似，提供3种数据帧，U帧用于建立或去除连接，I信息帧，S帧用于数据传输控制； （5）链路管理协议用于维护打印、传真、调制解调以及发现碰撞、链路管理等功能。5、两种技术特点的比较 蓝牙技术和红外无线接入技术都是短距离的无线接入技术，而且都能实现安全、可靠、低功耗、低成本的话音，数据及视频的传输。虽然都是无线接入技术，但是由于两种技术采用的电磁波频段不同，因此具有完全不同的信号传播特性。这也导致了两种技术在特点上的差异。6、红外通信的基本原理目前计算机领域广泛采用IRDA（Infrared Date Association）协议作为无线传输标准。IRDA标准包括三个基本的规范和协议：物理层规范，连接建立协议和连接管理协议。其中物理层规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求， IRDA物理层协议提出了对工作距离、工作角度（视角）、光功率、数据速率不同品牌设备互联时抗干扰能力的建议。当前红外通信距离最长为3米，接收角度大于30度。图1给出了IRDA物理层的方框图。数据速率小于4Mb/s时，使用RZI（归零反转）调制；而在4Mb/s的数据速率时，使用4PPM（脉冲位置）调制。IRDA要求的RZI（反向归零）调制度编码效果如图2中的IR帧数据所示，最大脉冲宽度是3/16位宽或1.6us宽（1.6us是最高位速率115.2kbps的位宽的3/16）。逻辑0由一个光脉冲代表，0位的开始对应脉冲的上升沿，而逻辑1由无光脉冲代表。I 传统的方法采用RS-232口进行通信，传输速率十分国有限，难以对告诉、批量的数据进行快速响应。随着通用串行总线（USB）技术的不断完善，采用USB接口来替换RS-232就看，从而使上述问题得以有效解决。USB是种应用在PC领域的新型总线接口技术，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出。这是一种新规格的外接串行口，提出该规格的厂商希望用USB来取代现有的外接设备接口，它还具有连接单一化、软件自动侦测以及热插拔的功能，即插即用。它具有如下特点：使用方便、速度更快（最新的2.0版本已经达到480Mbps）、独立供电等。但由于USB的驱动程序属于WDM型。WDM（Windows Driver Model），即Windows驱动程序模型，开发较为麻烦，故仍然采用传统的RS-232口进行通信。传统方式的PC端涉及的通信软件一般采用8086汇编语言或C语言提供的端口读写语句来实现。在Windows环境下， VB和VC可以很方便地调用MSComm（MicrosoftCommunicationControl）控件，它提供了事件驱动和查询两种方法。在事件驱动法中，每当有新字符到达端口，MSComm控件将出发OnComm时间。这样，应用程序可以通过检查MSComm控件的CommEvent属性采取响应当操作，他累死于汇编语言中的中断方式；较小的应用程序可以采用查询发，也就是应用程序不断检查MSComm的CommEvent属性并采取响应当操作，它类似于汇编中的查询法。在本设计中采用MASM32开发通信软件，他可以很方便地调用WINDOWS API和插入汇编语言。可方便地开发出界面友好的GUI图形界面。7 设计过程与步骤1、编一简单程序使8250A重复送出同一字符代码。2、通过示波器管程8250A的有关输出信号。3、设计并链接红外接口脉冲调制发射电路。4、 改变字符代码，5、 调试红外接口脉冲调制发射电路。6、设计并连接红外接口脉冲调制接收电路。7 改变字符代码，8、调试红外接口脉冲解调接收电路。9、 编程实现单机自发自收，10键盘字符，接受后显示出来。11编程实现双机无线通信，一机键盘字符在另一机屏幕显示出来。（二）微机文件数据的红外无线传输1、编程实现文本文件的读出（显示）和保存。2、编程实现图形文件的读出（显示）和保存。3、将文本文件读出（显示），通过红外接口发送给另一机。4、通过红外接口接受文本数据，显示并保存。5、将图形文件读出（显示），通过红外接口发送给另一机。6、通过红外接口接受图形数据，显示并保存。（三）微机语音数据的红外无线传输1、设计并调试数字录音A/D转换接口电路。2、设计并调试数字录音D/A转换接口电路。3、将语音信号通过数字录音接口电路输入并保存为文件。4、将语音数据通过数字录音接口电路回放为声音。5、将语音信号输入冰通过红外接口发送给另一机。6、通过红外接口接收语音数据并回放为声音。8 系统硬件设计(1)红外发射电路 （2）红外接收电路（3）录音机电路9 软件开发(1)8250初始化程序 mov dx,283h mov al,80h out dx,al mov dx,280h mov al,12 out dx,al mov dx,281h mov al,0 out dx,al mov dx,283h mov al,0bh out dx,al (2)字符发送和接收程序发送程序：invoke GetWindowText,hEdit1,ADDR mybuffer1,256mov ecx,eax mov esi,offset mybuffer1 chck: mov dx,285h in al,dx test al,20h jz chck mov dx,280h lodsb out dx,al loop chck mov al,1bh out dx,al 接收程序： mov edi,offset mybuffer2 rec: mov dx,285h in al,dx test al,01h jnz rcv jmp rec rcv: mov dx,280h in al,dx cmp al,1bh jz over stosb jmp rec invoke SetWindowText,hEdit2,ADDR mybuffer2 over:（3）文本文件发送和接收程序文本文件的发送程序只要将字符发送程序中hEdit1改为hEdit，同时将字符接收程序中的hEdit2改为hEdit。（4）录音和放音程序录音程序：lu proc ;录音子程序mov edi,offset data_qu ;置数据区首地址为DImov cx,60000 ;录60000个数据cldxunhuan:mov dx,luport ;启动A/Dout dx,alcall delay ;延时in al,dx ;从A/D读数据到ALstosb ;存入数据区,使DI加1loop xunhuan ;循环ret ;子程序返回lu endp放音程序：fang proc ;放音子程序 mov cx,60000 ;放60000个数据 mov esi,offset data_qu ;置数据区首地址为SI cldfang_yin: mov dx,fangport lodsb ;从数据区取出数据 sub al,30h out dx,al ;放音 call delay ;延时 loop fang_yin ;循环 ret ;子程序返回fang endpdelayprocnear ;延时子程序push dxmoval,10h ;设8253通道0工作方式0movdx,2a3houtdx,almoval,100 ;写入计数器初值200movdx,2a0houtdx,almov dx,28bh ;设8255的A口为输入mov al,9bhout dx,almov dx,288h ;从8255的A口输入delay1:in al,dxand al,1 ;判断PA0是否为1jzdelay1 ;若PA0不为1,转de_laypop dxret ;子程序返回delayendp（5）语音发送和接收程序 语音发送程序： mov cx,60000 mov esi,offset data_qu chck: mov dx,285h in al,dx test al,20h jz chck mov dx,280h lodsb out dx,al loop chck语音接收程序：mov cx,60000mov edi,offset data_qu rec: mov dx,285h in al,dx test al,01h jnz rcv jmp rec rcv: mov dx,280h in al,dx stosb loop rec10 联机调试 由于红外收发器的电路相对简单，所以调试也很方便。发射部分基本上不用调试，注意检查发射管的极性连接是否正确。接收部分同样要注意接收管的极性是否连接正确。 在通讯时，IRTX和GND之间应该有0.7V左右的电压波动，如果没有就是红外接口有问题，或者是红外接口没有打开；IRRX和GND之间同样有0.7V的电压波动，如果波动范围较小，可以调整取样电阻，加大它的阻值，但不要太大，否则会降低接收的抗干扰能力。在联机正常的情况下，可以将笔记本电脑放远些，再调整取样电阻，使通讯距离尽量大些。 其他的增大通讯距离的方法还有几个：可以在接收管前面加一个红色滤光片，以滤除其他光线的干扰；还可以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。11 统改进措施1根据IRDA（Infrared Data Association，红外数据协会）提供的“异步串行通讯标准”资料显示，IRTX引脚能提供 6.0mA 的输出电流，而 IRRX 引脚在吸收 1.5mA 电流就能对输入信号作出反应。资料同时显示红外线接口的发射部分已将传输数据进行 38kHz 的载波，而接收部分将进行信号分离处理，所以在制作接口电路时无须再考虑载波和分离电路。2. 标准红外接口： 下图为 IRDA 提供的红外通讯电路标准方案。 红外发射电路由红外线发射管L2和限流电阻R2组成。当主板红外接口的输出端IRTX输出调制后的电脉冲信号时，红外线发射管将电脉冲信号转化为红外线光信号发射出去。电阻R2起限制电流的作用，以免过大的电流将红外管损坏。当R2的阻值越小，通过红外管的电流就越大，红外管的发射功率也随电流的增大而增大，发射距离就越远，但R2的阻值不能过小，否则会损坏红外管或主板红外接口！ 红外接收电路由红外线接收管L1和取样电阻R1组成。当红外接收管接收到红外线光信号时，其反向电阻会随光信号的强弱变化而相应变化，根据欧姆定律可以得知通过红外接收管L1和电阻R1的电流也会相应变化，而在取样电阻两端的电压也随之变化，此变化的电压经主板红外接口的输入端IRRX输入主机。由于不同的红外接收管的电气参数不同，所以取样电阻R1的阻值要根据实际情况作一定范围的调整。 该电路为IRDA的标准方案，一般的DIY可以使用该电路。电路虽然很简单，但其性能还是不错的，我用该电路连接笔记本电脑，在没有误码的情况下，传输速度可以达到57.6Kbps！3. 扩展红外接口： 下图为 IRDA 提供的红外通讯电路扩展方案。 该电路是在标准电路的基础上，增加了抗干扰电路和增大发射功率电路。 抗干扰电路由电阻R4、电解电容E1、E2、独石电容C2、C3组成，主要是滤除PC机电源中的干扰波。如果您的机器电源质量较好的话，可以省略该部分电路。 增大发射功率电路由电阻R2、R3、功率三极管P1和电容C1组成，C1的作用是改善输出信号的波形，三极管是放大输出电流，以提高发射功率。4. 增强红外接口： 下图为本人根据试验整理的红外通讯电路增强方案。 该电路中主要改进的地方是发射部分采用对管放大，进一步提高了发射功率；而接收部分采用三极管对接收信号进行放大，提高了接收的灵敏度。工作原理可以参考上面的叙述。5. 元器件选择： 元器件的选择主要是发射管和接收管的测试。 1. 测试红外发射管：红外发射管实际上是一个特殊的二极管，用万用表电阻档测量，发射管的反向电阻通常为无穷大，正向电阻一般为500K左右。 2. 测试红外接收管：红外接收管也是一个二极管，测量时，它的正向电阻大于500K，而且不受光照的影响，反向电阻在没有光线直射时，一般大于300K，强光照射时应小于10欧，有时会为负数，这是因为在强光照射时，二极管的PN结将获得的光能转化为电能，形成了0.7V的结电压。小结： （1）语音回放的效果比较差。可考虑在A/D转换电路前加前置放大电路和带通滤波器，在D/A转换电路后加低噪声功率放大器。（2）传输的距离比较短，受干扰比较严重。在数据传输中，可靠性是一个重要的指标，为了克服干扰，增加传输的可靠性和传输距离，可采用提高光发射功率，使用光学元件如使用光学滤光镜滤除散杂光、使用聚光镜对发射光进行聚焦。还可引入差错控制技术（又叫