紅外通訊協(xié)議在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

    摘要：從紅外通訊協(xié)議的特點(diǎn)、基本原理對(duì)紅外無線通信技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際例程探討了紅外數(shù)據(jù)通信在嵌入式系統(tǒng)中的基本設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

紅外和藍(lán)牙協(xié)議是兩種較流行的短距離無線通信協(xié)議。但目前藍(lán)牙協(xié)議各大廠商尚未有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加之硬件價(jià)格較為昂貴的缺點(diǎn)，因此市場(chǎng)上紅外通信在手機(jī)、筆記本電腦等小型移動(dòng)設(shè)備中仍然應(yīng)用廣泛，在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用有著較高實(shí)際意義。

1 紅外協(xié)議背景

紅外線是波長(zhǎng)在750nm至1mm之間的電磁波，其頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼眼看不到的光線。目前無線電波和微波已被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)距離的無線通信中，但由于紅外線的波長(zhǎng)較短，對(duì)障礙物的衍射能力差，所以更適合應(yīng)用在需要短距離無線通信場(chǎng)合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接線數(shù)據(jù)傳輸。為了使各種設(shè)備能夠通過一個(gè)紅外接口進(jìn)行通信，紅外數(shù)據(jù)協(xié)議（Infrared Data Association，簡(jiǎn)稱IRDA）發(fā)布了一個(gè)關(guān)于紅外的統(tǒng)一的軟硬件規(guī)范，也就是紅外數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)。

2 紅外協(xié)議基本結(jié)構(gòu)

紅外數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)包括基本協(xié)議和特定應(yīng)用領(lǐng)域的協(xié)議兩類。類似于TCP-IP協(xié)議，它是一個(gè)層式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形成一個(gè)棧，如圖1所示。

    其中基本的協(xié)議有三個(gè)：①物理層協(xié)議（IrPHY），制定了紅外通信硬件設(shè)計(jì)上的目標(biāo)和要求，包括紅外的光特性、數(shù)據(jù)編碼、各種波特率下幀的包括格式等。為達(dá)到兼容，硬件平臺(tái)以及硬件接口設(shè)計(jì)必須符合紅外協(xié)議制定的規(guī)范。②連接建立協(xié)議（IrLAP）層制定了底層連接建立的過程規(guī)范，描述了建立一個(gè)基本可靠連接的過程和要求。③連接管理協(xié)議（IrLMP）層制定了在單位個(gè)IrLAP連接的基礎(chǔ)上復(fù)用多個(gè)服務(wù)和應(yīng)用的規(guī)范。在IrLMP協(xié)議上層的協(xié)議都屬于特定應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)范和協(xié)議。④流傳輸協(xié)議（TingTP）在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行流控制。制定把數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分、重組、重傳等的機(jī)制。⑤對(duì)象交換協(xié)議（IrOBEX）制定了文件和其他數(shù)據(jù)對(duì)象傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)格式。⑥模擬串口層協(xié)議（IrCOMM）允許已存在的使用串口通信的應(yīng)用象使用串口那樣使用紅外進(jìn)行通信。⑦局域網(wǎng)訪問協(xié)議（IrLAN）允許通過紅外局域網(wǎng)絡(luò)喚醒筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備，實(shí)際遠(yuǎn)程搖控等功能。

整個(gè)紅外協(xié)議棧比較龐大復(fù)雜，在嵌入式系統(tǒng)中，由于微處理器速度和存儲(chǔ)器容量等限制，不可能也沒必要實(shí)現(xiàn)整個(gè)的紅外協(xié)議棧。一個(gè)典型的例子就是TinyTP協(xié)議中數(shù)據(jù)的拆分和重組。它采用了信用片（creditcard）機(jī)制，這極大地增加了代碼設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而實(shí)際在紅外通信中一般不會(huì)有太大數(shù)據(jù)量的傳輸，尤其在嵌入式系統(tǒng)中完全可以考慮將數(shù)據(jù)放入單個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，用超時(shí)和重發(fā)機(jī)制保證傳輸?shù)目煽啃?。因此可以將協(xié)議棧簡(jiǎn)化，根據(jù)實(shí)際需求，有選擇地實(shí)現(xiàn)自己需要的協(xié)議和功能即可。

3 紅外協(xié)議數(shù)據(jù)基本傳輸原理

由于硬件接口限制，嵌入式系統(tǒng)中紅外通信的速率基本在9600bps～115.2kbps之間。這里是通過硬件電路板上的異步通信收發(fā)器（UART）進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)編碼和無線傳輸。在115.2kbps速率下紅外采用RZI的編碼調(diào)制方案，脈沖周期為3/16位周期。數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用CRC16。其基本思想是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照CRC16算法（CRC算法可以參考相關(guān)資料）進(jìn)行打包校驗(yàn)，在接收時(shí)進(jìn)行CRC解包并與常數(shù)OXF0B8比較，若匹配即數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤。紅外數(shù)據(jù)傳輸以幀為基本單位。幀是一些特定域的組合，其中紅外協(xié)議底層字節(jié)包格式如圖2所示。

各個(gè)域含義如下：STA為開始標(biāo)志，即0x7E、ADDR為8位的地址域；DATA為數(shù)據(jù)域；FSC為16們的CRC校驗(yàn)碼；STO標(biāo)志幀結(jié)束，在接收兩個(gè)連續(xù)的幀時(shí)必須至少有3個(gè)以上的1后則標(biāo)志該幀有錯(cuò)誤，設(shè)備會(huì)放棄該幀。在紅外數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸過程中，為了延時(shí)控制考慮，一般在數(shù)據(jù)幀頭添加多個(gè)STA域，通常采用連續(xù)11個(gè)0x7E達(dá)到延時(shí)目的。在接收時(shí)，當(dāng)收到多個(gè)STA域時(shí)當(dāng)作一個(gè)來處理，多余的STA域被忽略。紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)機(jī)流程如圖3所示。

下面對(duì)圖2作幾點(diǎn)說明：（1）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先進(jìn)行Address Discovery過程，在此過程中發(fā)廣播幀，等待對(duì)方設(shè)備響應(yīng)，收到響應(yīng)幀后可以取得對(duì)方設(shè)備地址。（2）取得對(duì)方地址后，進(jìn)行Connct過程，在此過程中將與對(duì)方設(shè)備協(xié)商傳輸參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)包大小、輪轉(zhuǎn)時(shí)間片等，之后建立連接。（3）建立完連接即進(jìn)入Information Transfer過程，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，傳輸。其中按照一定算法進(jìn)行時(shí)間片數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制。（4）數(shù)據(jù)傳輸完畢后進(jìn)入Disconnect過程，斷開連接。（5）在Address Discovery過程中，有可能發(fā)現(xiàn)對(duì)方設(shè)備地址與本機(jī)設(shè)備地址有沖突，此時(shí)進(jìn)入Address Conflict Resolution過程，解決完設(shè)備沖突后再返回。

    圖3是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的紅外數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機(jī)流程，但在一些嵌入式設(shè)計(jì)方案中，出于省電等目的，可以不進(jìn)入Address Discovery過程，也就是簡(jiǎn)化掉Address Discovery過程而轉(zhuǎn)入Sniff過程。在探查一定時(shí)間后，若未收到對(duì)方設(shè)備響應(yīng)幀，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，若收到對(duì)方設(shè)備響應(yīng)幀，則進(jìn)入正常的連接過程。同時(shí)，在連接過程與對(duì)方協(xié)商傳輸參數(shù)的過程中有一項(xiàng)窗口大?。╳indows size）參數(shù)，它是指定接收方可緩沖多少個(gè)幀后再進(jìn)行接收確認(rèn)，其數(shù)值為1～7。在嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)空間有限的情況下，可以采用默認(rèn)值1進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單確認(rèn)，也就是接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀后立即進(jìn)行確認(rèn)。這樣既節(jié)省了資源又使代碼量更小，運(yùn)行速度更快。

4 嵌入式系統(tǒng)中紅外協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

筆者采用Sitronix公司的ST2204電路板為硬件平臺(tái)，處理芯片內(nèi)核為65C02。ST2204電路板使用了集成的8位處理器，尋址能力達(dá)到了44M字節(jié)，并提供了低電壓檢測(cè)功能。由于2204集成了上述這些功能，非常適合省電、支持長(zhǎng)電池壽命的手持移動(dòng)設(shè)備嵌入式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。在固件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方面采用了匯編語言。65C02上的匯編采用存儲(chǔ)器映象方式，并廣泛使用了零頁(yè)尋址，因此使用起來十分方便、高效。整個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)包括電路設(shè)計(jì)和固件程序（Firmware）的編寫；軟件設(shè)計(jì)包括CRC數(shù)據(jù)編碼校驗(yàn)、數(shù)據(jù)收發(fā)及主站（Primary）、輔站（Slave）狀態(tài)要流程實(shí)現(xiàn)等。

在硬件設(shè)計(jì)方面根據(jù)對(duì)設(shè)備的需求和硬件板芯片性能，可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的電路在仿真板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。固件程序和編寫可采用分塊的方法，例如初始化（Initilize）模塊、中斷處理（Interrupt）模塊、時(shí)鐘（Timer）事件處理模塊等。初始化模塊可根據(jù)硬件板的指南說明（Specification）提供的各個(gè)寄存器值設(shè)備初始化參數(shù)；中斷處理模塊可按照中斷向量表提供的入口地址編寫，其基本要求短小精悍，運(yùn)行的時(shí)鐘周期與微處理器頻率和設(shè)備需求的波特率緊密相關(guān)。時(shí)鐘事情處理可根據(jù)硬件板提供的基本時(shí)鐘設(shè)備不同的時(shí)鐘精度，以滿足不同的需求。在紅外傳輸實(shí)際設(shè)計(jì)中定時(shí)器主要用于三個(gè)方向：第一是sniff探查過程中主站發(fā)廣播幀后輔站超時(shí)未響應(yīng)的處理；第二是超時(shí)重發(fā)控制；最后一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸過程中輪轉(zhuǎn)時(shí)間片的控制。其中第三個(gè)方面要求的精度比較高，紅外協(xié)議制定的標(biāo)準(zhǔn)是在25ms～85ms之間。因此有必要把超時(shí)處理放在中斷處理。在程序編寫時(shí)使用信號(hào)量和程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間控制。其基本思路得設(shè)備一個(gè)程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加計(jì)時(shí)，當(dāng)各自事情時(shí)間到達(dá)時(shí)分別設(shè)置三個(gè)信號(hào)量來標(biāo)志事件處理，當(dāng)事件處理完畢后重置各自信號(hào)量，轉(zhuǎn)入重新計(jì)時(shí)。

在軟件設(shè)計(jì)方面，要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀包裝（Frame Wrapper），添加CRC16校驗(yàn)，用匯編實(shí)現(xiàn)CRC算法比C稍微復(fù)雜些。一個(gè)主要的技巧是將要進(jìn)行校驗(yàn)的數(shù)據(jù)地址和CRC數(shù)據(jù)表的索引地址置入一個(gè)零頁(yè)的內(nèi)存地址中，采用通用寄存器對(duì)其進(jìn)行間接尋址。這樣就實(shí)現(xiàn)了C語言中的指針效果，可以比較方便地查詢CRC表。在數(shù)據(jù)收發(fā)應(yīng)用中，分為主站（Primary station）和輔站（slave station）兩種角度。主站角度負(fù)責(zé)發(fā)起，建立連接，進(jìn)行時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。輔站主要負(fù)責(zé)應(yīng)答，響應(yīng)命令。在一定條件下主站輔站角度可以互換，主輔站均可收發(fā)數(shù)據(jù)。

    收發(fā)數(shù)據(jù)的中斷函數(shù)最重要也是底層的核心所在。在接收方首先公進(jìn)行硬件初始化，設(shè)置UART接收初始化狀態(tài)并進(jìn)行中斷允許標(biāo)志設(shè)置（具體設(shè)置可以參考所選擇的電路板說明）等。當(dāng)紅外數(shù)據(jù)到達(dá)后即會(huì)觸發(fā)一個(gè)UART中斷，系統(tǒng)處理完當(dāng)前事件后便會(huì)根據(jù)中斷向量表提供的入口地址調(diào)用接收中斷處理接收數(shù)據(jù)。在接收過程中，UART會(huì)搜索匹配開始位和結(jié)束標(biāo)志。接收完畢后，返回系統(tǒng)調(diào)用程序。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)接收完數(shù)據(jù)后，即可按裝收幀控制域判斷幀類型，并結(jié)合接收站所處的相應(yīng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行流程處理。下面是紅外接收數(shù)據(jù)的中斷程序源碼：

/*******************************************

* UART Receiver Interrupt Service Routine

********************************************/

ISR_URX:

pha

phx ；壓棧，保存通用寄存器值

cld ；清空十進(jìn)制標(biāo)志位

ldx #00001100B ；允許接收，并設(shè)置可以接收下一字節(jié)

stx

ldx mBagLen

cpx #IrDAb_BAG_LEN ;一個(gè)包的長(zhǎng)度

bcs ferr_over ;溢出否

lda

sta mReadBuff,x ;寫數(shù)據(jù)

lda

sta mIrdaByteFlag ;保存狀態(tài)標(biāo)志位

inc mBagLen ;計(jì)數(shù)器++

bra ?exit

?err_over;

smb0

?exit;

plx ;出棧，恢復(fù)通用寄存器值

pla

rti

該中斷處理程序在硬件收到一個(gè)字節(jié)時(shí)觸發(fā)。它先將通用寄存器值壓棧保存，接下來進(jìn)行狀態(tài)寄存器的控制，并檢查一些狀態(tài)標(biāo)志，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收；將數(shù)據(jù)保存在一個(gè)緩存里，并進(jìn)行溢出等狀態(tài)的檢測(cè)和控制。最后恢復(fù)通用寄存器的值，返回中斷調(diào)節(jié)函數(shù)。按照類似的原理可以編寫出紅外發(fā)送方程序。編寫數(shù)據(jù)收發(fā)中斷程序有一點(diǎn)要注意，程序代碼量和處理器主頻以及選擇的紅外波特速率是密切相關(guān)的。若不注意就很容易造成“丟中斷”的現(xiàn)象，這是應(yīng)該避免的。還有一點(diǎn)要說明：UART是工作在半雙工模式下，在一些實(shí)時(shí)系統(tǒng)和時(shí)間精度要求較高的應(yīng)用中是不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)的。但由于其收發(fā)時(shí)間片較短（最長(zhǎng)為500ms），在一些普通應(yīng)用中可以模擬成同時(shí)收發(fā)。

在程序編寫完后對(duì)其進(jìn)行編譯/連接定位，用調(diào)試器以16進(jìn)制的形式加載在主機(jī)開發(fā)系統(tǒng)中即可進(jìn)行模擬調(diào)試。但是模擬調(diào)式不能百分之百地模擬硬件的全部特性。它主要用于調(diào)試軟件邏輯、狀態(tài)機(jī)流程。對(duì)于調(diào)試UART數(shù)據(jù)收發(fā)等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的硬件特征還需到目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行驗(yàn)證。