红外线通信协议IrDA

1、1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。红外数据协会(IRDA)成立后，为了保证不同厂商的 红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。IRDA标准包括三个基本的规范和协议：物理层规范(P hysical Layer LinkSpecification)、链接建立协议(Link Access Protocol:lrLAP)和链接管理协议 (Link Manageme nt P rotocol

2、:IrL MP)。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，负责对链接进行设置、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和IrBus等等(见图1)。外线通信协议层微控制器/PC机，/网路 J红外线是波长在 750nm 至 1mm 之间的电磁波，其频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼眼看不到的光线。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于接口逻辑f器件编/解码 _ I I 11m

3、11m： I I山K K2红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差， 所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点3对点的直接线数据传输。为了使各种设备能够通过一个红外接口进行通信，红外数据协议（InfraredDataAssociation，简称 IRDA ）发布了一个关于红外的统一的软硬件规范，也就是 红外数据通讯标准红外数据通讯标准包括基本协议和特定应用领域的协议两类。类似于TCP-IP协议，它是一个层式结构，其结构形成一个栈，如图1所示。其中基本的协议有三个：物理层协议（IrPHY），制定了红外通信硬件设计上 的目标和要求，包括红外的光特性、数据编码、各种波特率下帧的包括格 式等。 为达到兼

4、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。建立协议（IrLAP）层制定了底层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。连接管理协议（IrLMP）层制定了在单位个IrLAP连接 的基础上复用多个服务和应用的规范。在IrLMP协议上层的协议 都属于特定应 用领域的规范和协议。流传输协议（TingTP）在传输数据时进行流控制。制定 把数据进行拆分、重组、重传等的机制。对象交换协议（IrOBEX）制定了文件和其他数据对象传输时的数据格式。 模拟串口层协议（IrCOMM允许已存在的使用串口通信的应用象使用串口那样使用红外进行通信。局域网访问协议（IrLAN）允许通过红

5、外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设备，实际远程摇控等 功能。整个红外协议栈比较庞大复杂，在嵌入式系统中，由于微处理器速度和存储器容 量等限制，不可能也没必要实现整个的红外协议栈。一个典型的例子就是TinyTP协议中数据的拆分和重组。它采用了信用片（creditcard）机制，这极大地增加 了代码设计的复杂性，而实际在红外通信中一般不会有太大数据量的传输，尤其在嵌入式系统中完全可以考虑将数据放入单个数据包进行传输，用超时和重发机制保证传输的可靠性。因此可以将协议栈简化，根据实际需求，有选择地实现自己需要的协议和功能即可。连接信息访问服务协议（IAS）局域网访问 拣议（IrLAN）对象交换协议（Ir

6、OBEX）模拟串口S协议（IrCOMM）.流专输协议4連接管-理感浜（ELMP）连接建立协议（hrLAF）物理层协CIrPHY）图1红外券议栈示戀图包括三个基本的规范和协议:5物理层规范(PhysicalLayerLinkSpecification)、链接建立协议(Li nkAccess Protocol:lrLA P)和链接管理协议(Lin kMa nageme ntP rotocol:IrLM P)。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，负责对链接进行设置、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

7、续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM IrLAN、IrTran-P和IrBus等等红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。 发送端采用脉时调制（PPM方式，将二进制数字信号调制成某一频率 的脉冲序 列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制 字信号后输出。接收端将接收到的光脉转换成数简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机

8、的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口，如图1 所示。+iV+iV-4 tR，R R VccVccDISDIS CUTCUTDIDID3D3_ _ NCS55NCS55 TRTR COCOT2T2r JTXDTXDa9C51a9C511 -*,Vs,Vs OUTOUT丄, ,GNDGND- -0 03PIPtrSBONDtrSBONDK1 dR*9-在单片机的软件实现中，最主要的是在需要发送数据的时候用定时器在IFR CLK口线上产生38kHz的方波。在这里，串口的速率一般较低。红外通信协议-1.3缺点-(1)采用调幅进行传输，抗干扰能力差；-(2)在

9、发送数据时，输出的功率一定时，用于信号传输的功率小，接收到的 数据的信噪比小，容易误判数据；-(3)受到输出功率的影响，数据传输的距离短，速度慢；-(4)受到传输速率的影响，传输的数据量不能太大；-(5)由于没有相应的协议支持，将接收到的所有数据(包括正常的数据和干 扰引起的非正常数据)送到RXD2红外数据通信-2.1红外数据通信的速率和物理层的数据帧格式-在红外数据传输中，对串口发送的数据采用脉冲进行调制的方式。在IrDA标准1.0中， 脉冲的宽度为3/16的BIT占空比或者为固定的1.63us的脉冲宽 度。IrDAl.O简称为SIR，以系统的异步通信 收发器(UART)为依托，由于受到UA

10、RT1信速率的限制，SIR的最高通信速率只有115.2Kbps， 也就是大家熟知的 电脑串行端口的最高速率。 在 图2中给出了脉冲调制前的异步串口UART勺数据 帧格式和进行脉冲调制后的红外IR帧格式，其中，红外脉冲调制中的没有脉冲 代表UART中的“T,红外脉冲调制中有脉冲代表UART中的“0”；在没有串 口数据传送时，红外数据帧中没有脉冲。红外通信协议I I FLFL MPMPiiiLn10-1996年，颁布了IrDA标准1.1,即快速红外通信，简称为FIR。与SIR相比， 由于FIR不再依托UART其最高通信速率有了质的 飞跃，可达到4Mbps的水平。FIR采用了全新的4PPM调制解调（

11、PulsePositionModulation），即通过分析脉冲的相位来辨别所 传输的数据信息， 其通信原理与SIR是截然不同的， 但由于FIR在115.2Kbps以下的速率依旧采用SIR的那种编码解码过程，所以它仍可以与支 持SIR的低速设备进行通信，只有在通信对方也支持FIR时，才将通信速率提升到更高水平。对4Mbps的速率，需要使用1/4的脉冲的相位进行调制（即所谓 的4PPM调制），利用脉冲四个不同的相位（位置）的一个脉冲对两个BIT进行编码。因此，前面利用脉冲有无进行调制， 这里利用脉冲及脉冲的位置确定调 制 和解调的信号。例如，两个BIT00调制为1000（个BIT，其中第一个1/

12、4BIT时间有脉冲，其他3/4时间无脉冲），两个BIT01调制为0100（个BIT，其中 第二个1/4BIT时间有脉冲， 其他3/4时间无脉冲）。这样， 用4个脉冲就可以传 输一个字节的数据量。在和终端进行通信的设备中，数据的传输通常以系统的异步通信收发器（UART）为依托，我们只需要采用符合IrDA标准1.0的红外器件。 目前， 红 外数据传输 芯片包括两种，一种以HP公司HSDL-1000芯片为代表，HSDL-1000的一端输入 为符合IrDA1.0标准的红外数据，一端为异步通信（UART）数据，可以直接用在终端中作为UART和红外数据的转换器。另外一种以Zilog生产的ZHX1810为代

13、 表，只是将红外信号转换为电信 号，或将电信号转换为红外信号的红外收发器 件，这种芯片在终端设备中需要应用时， 需要将脉冲转换为异步通信的数据， 或 将异步通信的数据转换为脉冲信号方可-22采用脉冲进行调制的原因-红外接收器需要一种方式来区分周围的干扰,噪声和信号。 为了这个目的， 通 常利用尽可能高 的输出功率:高的功率表示在接收器中的大电流，有好的信噪 比。然而,IR-LED（红外灯）不可能在全部的时间连续的以高功率进行数据的发 送。因此,使用 每个BIT只有3/16或1/4脉冲宽度的信号进行传输。这样，输 出的功率可以达到IR-LED（红外灯）连续闪烁的最大功率的45倍。另外，传 输的途

14、 径不会携带直流成分（由于接收器连续的适应周围的环境,只检测环境变 化）,这样必须利用脉冲调制。-23红外数据通信的协议-在红外数据通信中， 很容易受到外界的干扰， 只有符合一定格式的数据才是 正确的数据。为此，IrDA标准指定三个基本的规范和协议，包括：物理层规范（PhysicalLayerLinkSpecification），连接建立协议（LinkAccessProtocol:IrLAP）和连接管理协议（LinkManagementProtocol:IrLMP）。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。在Ir

15、LAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，续发布了一些更高级别的红外协议， 如TinyTP、IrTran-P等。它们之间的关系如图3所示。使用。IrDA还陆IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、11_ 百_ ,I I 丄一1 1 I I-奥克码一桑夏PPC2188型PDA的操作系统为桑夏2000操作系统，该操作系统 为嵌入式的中文操作系统，其中有支持红外通信的IrDA红外通信协议栈。终端 需要和PDA进行红外通信的时候，也需要有支持红外通信的IrDA红外通信协议 栈。有了支持红外通信的IrDA红外通信协议栈，终端不仅可以和PDA进行通信， 也可以同带有红外通信口的笔记本电脑、

16、 手机、掌上电脑、数码相机等进行红外 通信。3实现终端与PDA的红外通信-在终端设备中，要实现和PDA的红外通信，除了要实现将红外数据转换为UART数据，还需要编制IrLAP和IrLMP层的协议。 为了降低成本， 我们直接采用了 红外收发器件ZiLOG生产的红外收发器作为物理层的部分器件，而将脉冲和UART之间的 数据转换用软件来实现。目前，实现了以下的硬件和软件的研制和测试，这种终端与PDA的红外通信是可靠的。-3.1ZHX1810I;I1粘蓝环J萨一”m m口-f-f苞曲m mM M載蓿as*as* .1.1k 、-*栖审制梓* ”_ _- T红外通信协议-ZiLOG为OEM客户和最终用户

17、提供了完整的红外数据收发方案。ZiLOG的红外 收发器被广泛的应用于各种PDA产品，移动电话以及相关领域中。-最新公布的几款红外收发器ZHX1403 ZHX3403以及ZHX1203他们都具有 极小巧的外型尺寸，ZiLOG称之为Ultraslim结构。此外ZHX1403和ZHX3403还具有AlwaysOn技术，使得长时间的红外功能开启成为了可能，这无疑为红外 设备的应用增加了更多的可能性。-在本系统的设计中，采用了ZiLOG的ZHX1810由于红外收发器也可以接收 到自己发出的数据，实现的红外数据通信是半双工的。-在图4中给出了ZHX1810的内部结构。红外通信协议12-LEDA:通过一个外

18、接的电阻接到电源上，给LED提供电流。-TXD：用来传输串行数据。 通过一个电阻接到地上， 当关闭模式时处于开路状 态。-RXD:用来接收串行数据(在关闭模式时处于三态)，不需要外接电阻。-SD:用来将内部的电路控制在关闭模式。-在Vcc和GND间接一个0.33小 的电容。-3.2硬件组成-为了使终端的功能和红外通信之间相对独立，我们利用了单独的单片机AT89C2051实现红外协议栈中的相关协议。AT89C2051接收到TXD发来的数据，进行处理之后将UART数据转换为对应的脉冲数据，通过ZHX1810发送出去；AT89C2051接收到ZHX1810发送来的脉冲数据， 根据IrDA的相关协议栈

19、进行解 释后， 将数据通过RXD以UART数据形式发送出去。从而实现红外通信。-图5中的硬件电路是实现红外通信的最低硬件配置。如果需要适应不同的波 特率，需要在硬件图中加跳线来识别。如果需要实现完整的IrDA协议栈，需要 在电路中加上IIC总线的存储单元；或者采用带有数据总线和地址总线的单片 机，加上RAM(如HM6116来实现。-在这里，由于桑夏公司的奥克码一桑夏PPC2188型PDA可以跳过IrDA协议栈 中的连接建立协议层和连接管理协议层， 只需要实现物理层的部分功能， 终端采 用如下的电路图就可以实现和奥克码一桑夏系列的PDA之间的红外通信。-33软件实现的功能和流程-软件实现的功能如

20、下。-软件的编写是终端和PDA进行红外通信的重点，考虑到软件的可移植性和程 序执行的速度，采用了C语言进行编写，主要需要实现的功能如下：-(1)根据跳线识别不同的波特率，支持的波特率的传输范围为1200bps57600bps；-(2)由于设置红外默认的状态为接收状态；-(3)物理层判断红外口有无接收到脉冲数据，将接收到的脉冲进行解释后送到红外数据接收缓存区；-(4)实现连接建立协议层IrLAP,和PDA建立连接；注意，这种建立的连接 是单工的，只有在该次通信完成时才建立下次的连接；-(5)实现连接管理协议层IrLMP的功能；-(6)将从红外接收的数据通过RXD送到终端的异步串口接收端；-(7)

21、从终端的异步串口发送端接收数据，根据IrDA协议栈，和PDA建立连接后，将从终端接收到的数据通过红外发送到PDA；-在软件的实现中， 对终端的数据传输而言， 数据是进行半双工的透明的传输。-软件的流程如图6所示。4总结-为了便于将这样的模块应用于各种带有红外的移动终端设备的红外数据通信，我们采用了单独的MCI来实现串口数据和红外数据之间 的转换。由于波特 率的传输范围为120057600bps,我们只实现了目前广泛使用的SIR标准通信。 该模块已经应用在和PDA红外通信的电路中，性 能稳定。131、bluebooth vs IEEE 802.11蓝牙自从出现之日起，就伴随着与IEEE802.1

22、1的争论，可到底是蓝牙还是IEEE802.11呢?蓝 牙技术是一种用于替代便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的 短距离无线连接技术。其设备使用全球通行的、无需申请许可的2.45GHz频段，可实时进行 数据和语音传输 传输速率可达到10Mbps在支持3个话音频道的同时还支持高达723.2Kbps的数据传输速率。也就是说,在办公室、家庭和旅途中，无需在任何电子设备间布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组14成一个“微网”，网内任何蓝牙收发器都可与该装置互通信号。而且,这种连接无需复杂的软件支持。蓝牙收发器的一般有效通信范围为10米，强的可以达到100米左

23、 右。正如爱立信蓝牙组负责人所说,设计蓝牙的最初想法是“结束线缆噩梦”。IEEE 802.11本是无线局域网络标准 它使PC在对等的基础上互联（或用集线器和In ternet网关相联）。802.11b和802.11a只是其中的两个扩展标准，802.11a工作在5GHz频段，传输速率高达54Mb/s,而工作在2.4GHz频段的802.11b则适合于家居环境。802.11b标准之所以引起了业界的普遍关注，主要是因为802.11b是较成熟的无线技术，它已有统一的标准。与蓝牙相比较，IEEE802.11系统在开发和制造方面占据优势，并具备更高的数据传输率。现有的蓝牙规范使用信道带宽为1MHz在发射带宽

24、为1MHz时，其有效数据速率为721Kbit/s，通信范围约为10米。IEEE802.11b规范的速率定位在11Mbs,并具备像调制15解调器那样的 自动下调速率，甚至有人提议将其扩展4Mb/ s。与蓝牙不同的是，它覆盖的范围更宽（可达100米），数据传输率更快。分析制约蓝牙技术发展的因 素，蓝牙芯片价格是一个大问题。目前市 面推出的蓝牙芯片的最低价是8美元，对于一台生产成本不过50美元的手机，仅嵌入一个蓝牙芯片就要增加成本8美元，而且拥有蓝牙技术的手机不是光一个蓝牙芯片就能实现的，它还需要收发模块、蓝牙协 议和应用程序，这无疑也要增加成本。因此，如果芯片价格不能降下来, 就不 可能大量生产蓝牙芯片，而任何蓝牙产品都离不开蓝牙芯片，这 就制约了蓝牙产品的推出。从目前的情况看，我们很难判断到底谁会在这场马拉松似的竞争出。蓝牙只是为短距离（约10米左右）内的无线个