课程设计 红外无线数据通信.doc

红外无线数据通信课程设计一、 题目与内容：总题目：微型计算机的红外接口与红外通信。主要研究微型计算机的短距离红外无线通信技术，自行设计红外接口电路和数字录音接口电路，编写应用程序，实现字符，文本，图形和语音数据的红外无线传输。内容可分为三个部分：（1）、微机红外接口的设计和调试（2）微机文件数据的红外无线传输（3）微机语音数据的红外无线传输二、 实验目的与要求：1、 掌握高档微机的汇编语言程序设计方法；2、 掌握微机常用接口电路的原理和使用方法；3、 了解微机红外数据传输的基本原理和IRDA协议的基本内容；4、 掌握微机红外接口电路的设计、调试，以及数字录音电路的设计、编程；5、 掌握微机软硬件设计基本原理和方法。三、技术背景：关于红外数据通信和IRDA通信协议和IRDA物理层协议。 （1）红外数据通讯技术IRDA是红外数据协会的简称，IRDA制订的一系列红外数据通讯标准形成了红外数据通讯技术的基础。红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议，是传统的设备之间连接线缆的替代。它的通讯距离一般在0到I米之间，传输速率最快可达16Mbps，通讯介质为波长为900纳米左右的近红外线。（2）红外通讯技术的特点 被众多的硬件和软件平台所支持;通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。主要是用来取代点对点的线缆连接:新的通讯标准兼容早期的通讯标准;小角度(30度锥角以内)，短距离，点对点直线数据传输，保密性强:传输速率较高，目前4M速率的FIR技术己被广泛使用，16N速率的VFIR技术己经发布。红外通信的缺点:1、通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断。2、目前广泛使用的SIR标准通讯速率较低(115.2kbit/s)3、红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。两者的对比如下:1、无线电适合用户流动性大，要求传输信号能通过墙壁进行长距离传输而发射功耗又能做到最小的各种场合用。2、红外辐射与无线电相比具有几个明显优点:(1)红外线适用于各种短距离的场合:(2)红外线不受无线电干扰，且使用起来不受国家无线电管理委员会限制;(3)红外通信结构简单，耗电少，能稳定地进行高速率的数据通信;(4)能高速运转的红外发射器和接收器的成本很低:(5)育京娜电学使硕士学位论文红外线对非透明物体的透过性极差，所以红外传输被限制在室内。同时这种限制使得信号易于传输而不被窃听，也能防止在不同房间内工作的通信线路之间相互发生干扰。因此，红外无线局域网将来可以达到很高的聚焦能力，而且它们的设计可以简单化，因为在不同房间内的红外信号的传输并不需要协调。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。物理层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。除此之外，还有一些适用于特殊应用模式的可选层。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。以下是IRDA物理层的组成方框图和IRDA的3/16的调制波形。 四、主要程序：发送字符主要程序： 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,alsend: mov al,22h mov dx,280h out dx,al jmp send接收字符主要程序：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文本的发送与接收与字符的发送与接收的主要程序是相同的。录音程序：lu proc mov edi,offset data_qu mov cx,60000 cldxunhuan:mov dx,luport ;启动A/Dout dx,alcall delay in al,dx stosb ;存入数据区,使DI加1loop xunhuan ret lu endp放音程序：fang proc mov cx,60000 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 loop fang_yin ret fang endpdelayprocnear push dxmoval,10h ;设8253通道0工作方式0movdx,2a3houtdx,almoval,300 ;写计数初值300movdx,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 pop dxret delayendp五、 电路设计：（1）红外发射电路：（2）红外接收电路：（3）录音电路：五、 红外无线数字通信的工作原理：（1） 发射器部分：需传输的信号，如：文本，图象，数据等等，被采样及量化，即数字化后，需基带调制和传输调制，有时还进行信源压缩编码，这些处理过的信号驱动光电变换电路完成光信号发射。红外无线数字通信系统发射器中信源编码技术包括基带编码和调制编码，其目的是保证数字数据有效的传输，要求所选码型应具有较高的功率效率及频带效率，含定时信息;带有检错及纠错功能，特殊的还要有传输公务信号的能力。基带编码是使基带信号的频谱结构适于给定信道的传输特性，同时又便于定时提取;常用的有Manchester双相码其频谱中定时分量强;ISDN的AMI码(三元码)具有检错能力等。调制编码把基带信号的频谱搬移到适于给定信道传输特性频谱结构上去，同时增加信源复用功能。常用的技术有幅度键控(ASK)、正交相位键控(QP-SK)、脉冲位置调制(PPM)等。分析表明PPM(脉冲位置调制)的功率及频带利用率两者之间的折中较好，IEEE P802. 11委员会于1995年11月推荐PPM调制方式用于基带谱为。-1 OMHz的红外无线通信。人们同时还在进行IRCT高速传输的研究，如2Mbit/s, 4Mbit/s, 50Mbit/s,100Mbit/s等。（2） 信道部分：由于是无线发射，所以红外无线数字通信的信道通常指发射器与接收器之间的空间，由于自然光和人造光信号的介入，信源及端设备中电学和光学中的噪声及干扰的影响，红外无线信道在某些场合质量较差，所以还必须加如信道编码和解码。在红外无线通信系统中，不管是LOS方式信道还是diffuse方式信道，信道中红外辐射的发射及反射特性常用朗伯辐射源来近似，由于光信号的反射、散射及背景光噪声与干扰的影响等，红外无线信道中存在多径干扰及噪声，这是提高信道质量及进行高速应用时特别应解决的间题。红外无线数字通信信道中常使用的光学元件主要有光学滤光片、聚光镜等，它们的作用是:整形、滤波、视场变换、频段划分等，如可用透镜对发射光进行聚焦，利用光学滤光片滤除杂散光;利用透镜扩大光接收机的接收视场，还可利用光学元件进行链路的频分复用等。红外无线数字通信信道中的噪声有:自然噪声(太阳光)及人为干扰(荧光灯灯光)等，可以由调制传输技术及加入滤光片等加以解决。（3） 终端接收部分：信道中的光信号有光接收部分实现光电变换，经采样量化后，为了去除噪声，及码间干扰，常需加如滤波和均衡等功能，再经解码部分后数据即可送入接收设备。红外无线数字通信系统终端部分包括光接收部分、采样、滤波、判决、量化、均衡和解码等部分;其要求为频率响应带宽大，增益高，噪声低，干扰小，与信道脉冲响应匹配;光接收机常采用跨导放大器作为光电变换部分的前置放大器，要求其噪声低，增益带宽积大;为了滤去低频噪声及人为干扰需用带通滤波器;为了与调制特性匹配，消除ISI，常采用均衡技术。七、实验过程中所使用的仪器设备和元器件：微机1台实验箱1个芯片MC74AC10 1片MC14069UB1片MC74HC393A1片MC74HC74A1片元器件300电阻 1个1K电阻1个100K电阻1个1M电阻1个电容1个器件发射管1个接收管1个元器件的简单说明：MC74AC10是一个由3个三输入与非门构成的芯片，其内部结构：MC14069UB是一个由6个非门组成的芯片，内部结构及引脚：MC74HC393A的内部结构和外部引脚如下：MC74HC74A的内部结构如下：八、 过程与步骤：1、 微机红外接口的设计与调试：a.编程使81250A重复送出同一字符代码并且通过示波器观察8250A的有关输出信号；b.设计并连接红外接口脉冲调制发射电路，然后再改变字符代码，调制红外接口脉冲调制发射电路；c.设计并连接红外接口脉冲调制接收电路，改变字符代码，调制红外接口脉冲调制接收电路；d.编程实现单机自发自收，发送键盘字符，接收后显示出来；e.编程实现双机无线通信，此机键盘字符在另一机上显示出来。2、微机文件数据的红外无线传输：a.编程实现文本文件和图形文件的读出（显示）和保存；b.读出文本文件，通过红外接口传到另一机上；通过红外接口接收文本数据并显示保存。c.读出图形文件，通过红外接口传到另一机上；通过红外接口接收文本数据并显示保存。3、微机语音数据的红外无线传输：a.设计并调试数字录音模/数转换接口电路和数字录音数/模转换接口电路；b.将语音信号通过数字录音接口电路输入并保存为文件；c.将语音数据通过数字录音接口电路回放为声音；d.将语音信号输入并通过红外接口发送给另一机；e.通过红外接收语音数据并回放为声音。九、在实际操作中的过程与步骤：i. 首先是编程，编字符发送和接收的程序，先将8250初始化，如上面的程序所示，然后编程，见程序所示。ii. 然后照着发射电路在实验箱上接线，确保接线正确，并将baud脚接到2M的时钟上，将sout脚接到示波器上观察波形。iii. 将所编的程序保存，编译，链接，运行，如不通过则继续修改，直到通过为止，运行完后出现一个黑屏，要求“please enter a word：”然后就可以输入一个字符，并在示波器上观察波形，如有方波状波形如前面IRDA3/16调制波形一样就说明成功了。根据老师要求，改程序使黑屏上的英文字母均改为中文。如“please enter a word：”改为“请输入一个字符：”等等。iv. 再将波特率脚接到示波器观察波形，如有脉冲前面IRDA3/16调制波形就对了。v. 成功之后就进行文本的发送与接收。将字符发送程序中hEdit1改为hEdit，并且将字符接收程序中的hEdit2改为hEdit，就是文本的发送和接收程序。vi. 改编程序使之可以进行文本发送接收且可以转化成16进制。vii. 照着接收电路接线，虽然很复杂，但要仔细认真的接以保证接线正确，在接发射管和接收管时先将距离拉近些，等可以后再拉远。然后运行程序，使之可以发射和接收文本，并能转化为16进制。也可在示波器上观察波形。viii. 编程实现语音的发送和接收，即录音和放音程序。并在电路上实现发送和接收，录音时，在实验箱上大声地说出学号，等录音结束就放音，此时听不到声音，当接收时放音才可以听到才算成功。如果把发射管和接收管之间用东西堵住就收不到了，这也让我们更清楚的了解了红外无线传输。十、实验过程中遇到的困难：在硬件方面遇到的困难：在做发射字符的过程中，我们很顺利地就把电路接好，并且运行成功，没遇到什么困难，因为电路本来就挺简单的，但是在做发射电路时却遇到了很多困难。由于要把导线接到面包板上很不牢固，经常会掉下来造成接触不良，有时没注意到，所以老是运行不成功，波形也出不来，我们就用万用表测每个接点的电压，测了很久才测到那个问题。后面就注意许多，能不插在面包板上就尽量不插，直接用电阻等元器件的管脚插。有时我们会把非门的管脚插错，也会造成错误。有时发现怎么检查都不行，我们就怀疑是芯片坏了，后来我们就借了别人的芯片，果然可以。在最后的录音，放音程序中，开始时，总是一开始录音，就可以听到声音放出来，达不到老师的要求，后来一直改进程序才做出来。还有，在发射录音时，如果发射管和接收管对不准，就接收不到录音或者音质很杂听不清楚，只有对准才能听到比较清晰的放音。还有就是在软件上遇到的困难，老师要我们把最后执行程序上的任务栏上的英文标注改成中文，这个要在程序中改，而那些子程序又很多，很难找，有些又不知道该怎么改，所以费了很多时间在这上面。还有就是当我们在做发射接收文本和语音数据时，我们把发射管和接收管用书挡住时无法传送，但我们拿开书时，本来应该可以继续传送，可是我们的就直接死机了，所以我们只好在检查程序，不断修改，以达到目的。十一、其他方案：1采用软件编解码的方案红外通信有多种形式，这里介绍的是一种电路简单、编码灵活性强的方案。对于一些以计算机为基础的系统，如果CPU的时间比较充裕，可以采用由软件完成编解码工作，外部配接简单硬件电路的方案。接收和发射的电路如图1。图I所示电路对应的编码方案是这样的:只发射低电平(数据位为0)信息，不发射高电平(数据位为1)信息。这样编码的好处是接收电路只需区分有无红外信号存在，而不必区分2种频率的红外信号，显然这对简化电路、降低对接收电路的要求和提高可靠性都是有利的。由于高电平时不发射任何信号，与通信线路空闲时的状态没有区别，所以对信令格式应有所规定:所有信令必须以0(低电平)开始，通常设置一个引导字节，引导字节的前若干位为0，作为起始标志。比如在低电平时，发出20个周期为20 Ns的方波。为了便于CPU处理，接收电路使用了一个可重复触发的单稳态触发器，其输出脉宽T,(暂态时间)约等于0.7RCo选择RC值，使T，略大于每个脉冲的周期，这样N个脉冲的连续触发，会在触发器的心端得到周期约为从的低电平，供CPU解码时使用。2采用标准串行口的方案目前市场上可以买到一种专门用于红外遥控和数据通信的三端红外接收组件，其中包括了接收、放大和解调等功能，内含滤光片和电磁屏蔽装置，如德律风根生产的TFMS5. 0列和新日本无线生产的NJH40系列等。该组件由电源脚V*(十5V左右)、接地脚GND和输出脚Vo组成。当接收到某一频率的红外信号(f,=30一60 kHz)时，10由高电平变为低电平，利用组件的这个特点可以方便地实现红外接收功能。比如选用一个fo = 36 kHz的红外接收组件作为接收电路，其输出端接申行口的接收端。再为发射电路提供一个36 kHz的振荡频率，由串行口的发送端调制后发射出去。电路图如下：十二、实验小结：通过本次实验，使我巩固了