存储测试系统红外数据通信技术与研究.docx

1、存储测试系统红外数据通信技术与研究 存储测试系统红外数据通信技术研究摘要：红外光是具有许多优势的通信媒介，红外标准IrDA标准是目前IT和通讯业普遍支持的近距离无线数据传输规范。本文在介绍IrDA1.0的基础上，主要讲述了存储测试系统的红外通讯，它是能够实现面向字节的红外数据通讯，具有良好的抗干扰能力。文中给出了用发送接收芯片配合AVR单片机实现红外通信的几种方案。这几种方案都是围绕发送接收两部分完成的，都是通过单片机来控制，但又都有各自的不同之处，即分别从不同方向去考虑。关键字：IrDA，红外通讯，红外发送，红外接收，单片机The research of Infrared communica

2、tion techniqueIn Storing and test systemAbstract:Infrared is a convenient communication medium that has many advantages. IrDA association has a membership of over hundreds of companies in the computer and telecommunication industry, including components, hardware and adapter manufactures. This text

3、introduces the IrDA1.0 first, and then mainly introduces Infrared communication of the saving test system. It is a infrared data communication that can carry out to face the word stanza, having good anti- interference ability. The text gives a few methods that is use to send out and receive infrared

4、 correspondence matched with AVR single chip. These methods are all concern the receive part and send part, through AVR to control things, but all they have different points. The difference is the direction of consideration.Keywords: IrDA, infrared transmission, infrared reception, single chip目 录1 引

5、言 11.1 本课题的意义 11.2 本课题研究的内容 11.3 红外通信技术的简介 21.4 红外通信技术的国内外发展趋势 21.5 红外通信技术的发展方向 42 综述 52.1 该设计的设计思路 52.2 红外通信的IrDA物理层标准 72.2.1 IrDA背景 62.2.2 物理层标准 82.3 接建立协议层(IrLAP) 102.4 IrLAP帧结构 103 发送接收芯片 123.1 IrDA器件的介绍 123.1.1 IrDA器件的类型划分 123.1.2 IrDA器件的构成 123.1.3 红外收发器件的选择 133.2 TFDU4100的简介 133.3 TFDU4100的应用

6、154 AVR的简介 174.1 AVR的综述 174.2 AVR ATmega8515的综述 184.2.1 AVR单片机系统复位及中断 204.2.2 定时器/计数器 205 整体设计 225.1 第一种设计方案 225.2 第二种设计方案 235.2.1 硬件设计 235.2.2 软件设计 256 系统调试及实验结果 306.1 实际遇到的问题及解决方法 30结论 31附录一 32附录二 33附录三 34参考文献 42致谢 43外文文献原文及译文1引言1.1 本课题的意义在当今世界里，笔记本电脑、个人数字助理等便携式信息处理机器急速普及，而以internet为代表的计算机网络系统正以惊人

7、的速度，向人类社会的各个领域渗透。如今，世界各工业发达国家正在开展信息处理环境设施或通信环境设施建设，旨在于实现一种新环境，即任何人随时随地都能从任何地方获得所要的信息或是任何人随时随地都能同在任何地方所期望的任何人进行通信联系。这就是各种新闻媒介广为宣传的5个w（whoever、whenever、wherever、whomever和whatever）之间的理想信息处理通信环境。于是，在这种理想境界，为了传送这些数据信息，提出了具体的实际问题：便携式信息处理机器和网络之间，便携式信息处理器与移动电话、打印机等外围机器之间，究竟以什么样方式实现相互连接。数据传输按照传统的方法，都是利用电缆线实现

8、连接，固然这种连接方法简单且可靠，但总有很多不便，因此，解决数据信息无绳传送，或用以红外线为代表的光信号传送，或利用无线电波传送方式，都可行。但相对来说，红外线通信技术结构简单，成本低廉，可靠性强，而且容易与便携信息处理机器结合。它是较其它技术更为成熟的，且功率很低。同无线电波传送方式相比，不受无线电法规限制，在红外线通信区内数据通信更为安全。与蓝牙相比，红外线通信又具有以下优点：数据传输速率高，适合于传输容量较大的数据文件和多媒体数据流；红外线发射角度较小，有一定物理传输上的安全性。基于这些优点，红外通信势必会在将来很长的一段时间内，在近距离无线数据通讯领域扮演重要角色。由此更加突出了研究红

9、外通信的必要性。1.2 本课题研究的内容：典型的存储测试系统组成，是由信号调理电路、中心控制电路、地址推动电路、存储器电路、接口电路、时钟电路、A/D电路等构成。我们主要研究接口电路这部分，即将存储器电路与计算机连接进行红外通信。红外通信是通过软件和硬件结合来实现的。硬件方面：它由红外发射和接收系统两部分组成。发射红外系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收。软件方面：在发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（P

10、PM）两种方法。接收端我们将接收到的脉冲串信号解码。因此在整个过程中我们需要用单片机来控制。在本文中我们不对存储测试系统作详细介绍，只需从中取数据，主要进行红外通讯的部分。1.3 红外通信技术的简介红外数据通讯指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式。一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75至25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讯效果，将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之间。红外通讯的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接，进而摆脱了不同平台设备连接时对于特制接口的要求，使得跨平台

11、设备间的数据交换简单到只需彼此相对。那么红外通信有哪些优点呢？1）它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；2）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；3）主要用来取代点对点的线缆连接；4）新的通讯标准兼容早期的通讯标准；5）小角度（30以内）、短距离、点对点直线数据传输，保密性强；6）传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。同时我们也应了解红外通信的缺点，以便进一步改善。红外通讯技术的缺点如下： 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（

12、115.2Kbit/s）；3）主要用于取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。1.4 红外通信技术的国内外概况红外线数据协会IrDA是致力于推行红外线通信的硬件和软件规格化并从事红外线通信普及的非营利机构，受到产业界的普遍欢迎。回想IrDA成立的初期，有关红外线通信方式，五花八门，互相竞争，相峙不下。但是，用户强烈要求明确的业界标准，保证能用上低成本、轻便、简单且低功耗的红外线通信产品。在这样的形势之下，红外线数据协会IrDA下设3个工作组，分别开展研究和调查工作，力排众议，终于理出头绪：红外线通信设施可实现小型、轻便和低功耗要求，在1m的传送距离，可置换以往的串行口；明确红外线通信

13、的定向性（不能绕射传送），因此红外线通信空间里不能有障碍物阻挡红外线信号传播。在此基础上，由IrDA于1994年制订出红外线通信SIR标准，即IrDA10（serial infrared）。基于该标准，利用红外线通信端口可置换以往的电缆、连接器、串行端口。在半双工链接协议HDLC里，已实现数据传送速度为2.4115.2kbps、通信距离为1m、定向角为30度，成本约为1.54.5美元。作为最初的红外线通信目标，小型、轻便和低功耗、1m传送距离和置换串行口等红外线通信目标已经完成。而且，在PC机操作系统windowsXP里支持红外线通信已作为标准装备，彼此打开了以IrDA规格为基准的红外线通信向

14、全世界普及的通路。但是，从用户角度观察，这只是一个开端，用户期望使用更高数据传送速度的红外线通信。作为115Kbps的数据传送速度，对于包括多媒体信息化时代的图像信息传送应用，仍然是很慢的，远不能达到实用要求。因此。红外线数据协会IrDA在巩固已取得的IrDA1.0的成果的基础上，积极探索提高红外线通信数据传送速度的途径。于是,IrDA于1995年4月正式采纳了由美国IBM、HP和日本夏普3家公司联合提案的IrDA1.1规格，使红外线通信的数据传送速度从2.4115.2kbps提高到1.152Mbps4Mbps，传输图像信息等都已成为可行的方法。当然，传送活动图像信息仍有困难。随着数字化信息家

15、电产品热潮来临，遵循IrDA1.1规格的红外线通信用LSI器件和电路模块产品纷纷商品化，而且装备有IrDA1.1规格端口的笔记本型PC机和个人数字助理等便携式信息处理机器、数字化照相机和打印机等已开始投放市场，促使红外线通信向纵深发展。红外通信技术在各个方面应用越来越多，预计在不久的将来，它在通信领域将得到普遍应用。红外技术的推广意味着手提式计算机用户不用电缆连接的新潮即将来临。1.5 红外通信技术的发展方向由于红外线数据协会IrDA坚持不懈地努力，世界规格标准化的红外线通信技术有长足发展。例如，数据传送速度已达到4Mbps，居世界PC操作系统统治地位的windowsXP也支持IrDA。现在，

16、全世界红外线通信事业通过各国150多家高技术企业共同努力，已小有所成，光辉的前景正在招手，红外线通信应用普及工作任重而道远，尽管windowsXP支持IrDA已作为标准装备，但是在PC之间开展红外线通信只限于少数具备条件的单位。红外线通信普及应用，需要一个不断发展的过程。 首先，建立红外线通信时，红外线数据发送端和红外线数据接收端，都必须具备红外线通信端口。归根结底，不仅PC机、笔记本型PC和个人数字助理等信息处理机器需要具备红外线通信端口，而且与这些信息处理机器进行通信的外围机器，如像打印机和数字化照相机等诸多数字化设备，也必须具备红外线通信端口。为数众多的数字化设备，都装备有红外线通信端口

17、，需有相当长的发展过程。例如，打印机、数字化照相机、数字化FAX与PHS一体化设备乃至花样品种繁多的数字化信息家电设备，大约从1997年开始逐渐装备遵循IrDA1.1规格的红外线通信端口，装备到全部数字化信息家电设备需要一定的时间，用户熟悉它也要有一个过程。 其次，迎接多媒体信息化时代，对红外线通信应用的渴望和供应之间的供求关系有待协调发展。例如，LAN急速普及，电缆连接布局花费大量劳力，一旦地理位置变动又需支付重新布线开销。谁都知道，红外线通信可节省电缆架设费用，可是IrDA1.1规格的红外线LAN适配器刚刚上市，推广普及应用需要时间。 不难设想，红外线通信技术及其应用向纵深方向发展的同时，

18、将把人们引向迈入上述的5w之间的理想信息处理通信环境。同时，为了实现这一理想目标、红外线通信技术尚需进一步发展，提高数据传送速度、提高传送距离、提高和各种新技术之间的综合谐调能力。在这个发展过程中，人们将期望出现新的应用和新的标准化规格，以及新一代红外线器件。2综述2.1该设计的设计思路本课题主要研究的是：将存储测试系统中的数据进行红外通信。首先，介绍存储测试系统：存储测试是指在对被测对象无影响或在允许范围的条件下，在被测体内置入微型数据采集与存储测试仪，现场实时完成信息的快速采集与记忆，事后回收记录仪，由计算机处理和再现测试信息的一种动态测试技术。实现动态参数存储测试技术的关键在于研制能够在

19、被测环境内正常工作，对被测对象无影响或影响在允许范围内的数据采集与存储测试系统。存储测试系统原理图为：图2.1 存储测试系统原理图本文设计的是接口电路，主要进行红外通讯的研究。红外通讯以红外线作为通讯载体，通过红外光在空中的传播来传输数据，它由红外发射器和红外接收器来完成。在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经过红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中，在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。现在很多微控制器，如80C51单片机，虽然内含有UART，却不支持IrDA标准或高速通信，不能直接相连红外收发体系。还有些微控制器，虽然所含的

20、UART可以直接连接红外收发体系，但UART已用于其它目的。此时，可以选用UART接口器件。但有些微控制器，内部集成有UART单元及其接口，支持IrDA标准，并可以直接与红外收发体系连接。图2.2即为含有UART单元的物理层框图：UART 与编码解码电路之间的信号1是UART的数据帧，它包括一个起始位，8个数据位，一个停止位，见图2.3。在编码解码电路与红外转换电路之间的信号2是红外IR帧，它具有与串口相同的数据格式，见图2.4。其中在红外发送与LED驱动之间是3/16比特位宽的脉冲信号，与探测接收和红外接收解码之间的信号基本一致。这样，信号2是红外信号3的电信号表示。图2.3 UART数据帧

21、图2.2 IrDA规范1.0物理层框图UART数据帧图2.4 红外数据帧红外数据传输电路设计的注意事项： 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。 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

22、方式转入另一种方式。 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。 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。 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

23、其光线采集能力等等。 2.2 红外通信的IrDA 物理层标准2.2.1 IrDA背景红外数据协会IrDA（Infrared Data Association)于1993年成立，它是一个独立的组织，它的章程是建立通用的，低功率的，半双工红外串行数据互联标准，支持近距离，点到点，设备适应性广的用户模式。建立该标准是在各种设备之间较容易地进行低成本红外通信的关键。IrDA定义了一道标准，或者称之为协议，每一层建立在它的下一层之上，使建立和保持无差错数据传输成为可能。IrDA标准包括三个强制性规范：物理层IrPHY(The Physical Layer)；连接建立协议层IrLAP(Link Acces

24、s Protocol)；连接管理层IrLMP(Link Management Protocol)。每一层的功能是为上一层提供特定的服务。其中物理层的硬件实现是整个规范的焦点，处于最底层，其它两层属于软件协议的范围，负责对它下一层进行设置和管理。红外数据定义了连接物理层规范1.0定义了数据传输率最高到115.2Kbps的红外通信；规范1.1将数据传输率提高到4Mbps。并保持了对版本1.0产品的兼容；规范1.2定义了最高速率为115.2Kbps下的低功率选择；规范1.3将这种低功耗选择功能推广到1.152Mbps和4Mbps。2.2.2物理层标准1）参数定义IrDA物理层定义了串行,半双工,距离

25、0-100cm,点到点的红外通信规程,它包括调制,视角(接收器和发射器之间红外传输方向上的角度偏差),视力安全,电源功率,传输速率,以及抗干扰性等,以保证各种品牌,种类的设备之间物理上的互连。该规范也保证了在某些典型环境下(如存在环境照明-太阳光或灯光,及其它红外干扰)的可靠通信,并将参加通信的设备之间的干扰降到最低。目前最新版本规范1.3支持两种电源:标准电源和低功率电源。标准电源无差错传输距离为0-100cm,最大视角为15度；低功率电源选择应用于便携式设备和电信产业中,无差错传输距离0-20cm,最大视角为15度。2）脉冲调制的必要性IrDA红外通讯通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转

26、换实现无线数据的收发。IrDA设备靠发光二极管发送信号,波长范围875nm30nm,接收器采用装有滤波屏的光电二极管,仅使经调制的特定频率的红外光通过并接收。接收器的光学部分接收到的电荷量与信号辐射的能量成正比。因为接收装置需要把混在外界照明和干扰中的有用信号提取出来,所以尽可能地提高发送端的输出功率,才可能在接收端有较大信号电流和较高信噪比。但是,红外发光二极管不能在100%时间段内全功率工作,所以发送端采用了脉宽为3/16或1/4比特位的脉冲调制,这样,发光二极管持续发光功率可提高到45倍最大功率。另外传输路径中不含直流成分,接收装置总在调整适应外界环境照明,接收到的只是变化的部分即有用信

27、号,所以脉冲调制是必要的。集成的IrDA收发器具有滤波屏以消除噪声,使在IrDA频率范围2.4115.2kbps和0.5764Mbps内的信号通过。3）调制原理IrDA1.0简称为SIR(Serial Infrared),数据传输率最高到115.2kpbs。它是基于HP-SIR(惠普在SIR编码解码电路及红外接收装置上拥有专利)开发出来的一种异步的、半双工的红外通讯方式。数据在发送前首先被编码调制,因为UART和串口使用NRZ(non-return to zero)编码,输出在整个比特位内保持一致,多比特位可持续高电位,但这不是最佳红外传输,因为持续的一串高电位比特位使发光二极管导通任意长时间

28、,这就必须限制发光二极管的功率,因此缩短了有效工作距离。而IrDA标准RZI(return to zero, inverted)调制,以便使峰值与平均功率之比得到增加。波特率在1152Mbps以下时,都使用RZI调制。由于受到UART通讯速率的限制,SIR的最高通讯速率只有115.2kbps,也就是大家熟知的电脑串行端口的最高速率。综上,波特率2.4115.2kbps时,使用脉宽为3/16比特位的脉冲调制,或使用固定宽度1.63s的脉冲调制。数据与串行异步通信格式相致,一帧字符用起始位和停止位来完成收发同步。一个“0”用一个光脉冲表示。IrDA Fast Infrared FIR与SIR相比,

29、由于FIR不再依托UART,其最高通讯速率可达到4Mbps。在物理层之上的IrLAP (Link Access Protocol)层要求所有的红外连接以9.6kbps的速率(3/16调制)建立起始连接,因此支持4M速率的设备至少必须支持9.6kbps的速率,这样也保证了4M的设备可以与仅支持9.6kbps的低速设备相通信,即保证向后兼容。见图2.5。3/16解码4PPM解调调制解调电路 LED驱动与接收电路图2.5 IrDA规范1.1物理层框图速率为0.576Mbps和1.152Mbps时,使用与IrDA1.0相同的RZI编码，只是用1/4比特位宽替代3/16调制，如果发送010*这一串二进制

30、码，如图所示：上图示意出实际传输的信号在不同速率下的脉冲编码(较低速率、0.576Mbps和1.152Mbps)，其中NRZ表示未经调制的原始信号。当波特率为4Mbps时,FIR采用了全新的4PPM调制解调，即依靠脉冲的相位来表达所传输的数据信息,其通讯原理与SIR不同。见表2.1。每两个比特位即“比特对”被一起编码成一个500ns宽的“数据符号位”,符号位分为4等份,只有一份包含光脉冲,信息靠数据符号脉冲的位置来传达。例如,比特位00将被传送为1000,01被传送为0100,11被传送为0001,每一个“1”靠一个光脉冲传送。对于4Mbps的传输速率,光脉冲宽度为125ns,发射器闪烁频率为

31、数据传输速率的一半即2Mbps,而且在一段固定时间内,接收器收到的脉冲数目是一定的,这将使接收器比较容易与外界环境光强度保持一致,使接收到的只是变化的部分即有用信号。表2.1 速率为4Mbps 时的4PPM调制比特对4PPM数据符号位001 0 0 0010 1 0 0100 0 1 0110 0 0 1其中逻辑1表示在这段数据符号位内LED发送红外光,逻辑0表示在这段数据符号位内LED处于关断状态。2.3 接建立协议层(IrLAP)连接建立协议层的定义与OSI(Open System Interconnect Reference Model)开放式系统互联参考模型第二层数据链路层相对应,是红

32、外通信规范强制性定义层。IrLAP以现有的高级数据链路控制协议 (High Level Data Link Control Procedure)和同步数据链路控制SDLC ( Syn-chronous Data Link Control)半双工协议为基础,经修订以适应红外通信需要。IrLAP为软件提供了一系列指南,如寻找其它可连接设备,解决地冲突,初始化某一连接,传输数据以及断开连接。IrLAP定义了红外数据包的帧和字结构,以及出错检测方法。2.4 IrLAP帧结构IrLAP对不同的数据传输速率定义了三种帧结构：1异步帧(速率在9.6115.2kbps之间);2同步HDLC帧(速率为0.576Mbps和1.152Mbps);3同步4PPM帧(速率为4Mbps)。速率在115.2kbps(包括115.2kb