??? 摘?要： 從紅外通訊協(xié)議的特點,、基本原理對紅外無線通信技術(shù)進行了分析，結(jié)合實際例程探討了紅外數(shù)據(jù)" title="紅外數(shù)據(jù)">紅外數(shù)據(jù)通信在嵌入式系統(tǒng)" title="嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)中的基本設(shè)計要點,。
??? 關(guān)鍵詞： 紅外通訊協(xié)議? 嵌入式系統(tǒng)? 異步通信收發(fā)器? 狀態(tài)機

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??? 紅外和藍牙協(xié)議是兩種較流行的短距離無線通信協(xié)議,。但目前藍牙協(xié)議各大廠商尚未有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,，加之硬件價格較為昂貴的缺點，因此市場上紅外通信" title="紅外通信">紅外通信在手機,、筆記本電腦等小型移動設(shè)備中仍然應(yīng)用廣泛,，在嵌入式系統(tǒng)中的實現(xiàn)應(yīng)用有著較高實際意義。
1 紅外協(xié)議背景
??? 紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波,，其頻率高于微波而低于可見光,，是一種人的眼睛看不到的光線。目前無線電波和微波已被廣泛應(yīng)用在長距離的無線通信中，但由于紅外線的波長較短,，對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合點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸。為了使各種設(shè)備能夠通過一個紅外接口進行通信,，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(Infrared Data Association,簡稱IRDA) 發(fā)布了一個關(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,，它是一個層式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形成一個棧,，如圖1所示,。

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??? 下面對圖2作幾點說明：（1）數(shù)據(jù)傳輸時首先進入Address Discovery過程,，在此過程中發(fā)廣播幀,，等待對方設(shè)備響應(yīng)，收到響應(yīng)幀后可以取得對方設(shè)備地址,。（2）取得對方地址后,，進入Connect過程，在此過程中將與對方設(shè)備協(xié)商傳輸參數(shù)，如波特率,、數(shù)據(jù)包大小,、輪轉(zhuǎn)時間片等，之后建立連接,。（3）建立完連接即進入Information Transfer過程,，進行數(shù)據(jù)校驗，傳輸,。其中按照一定算法進行時間片數(shù)據(jù)幀收發(fā)控制,。（4）數(shù)據(jù)傳輸完畢后進入Disconnect過程，斷開連接,。（5）在Address Discovery過程中,，有可能發(fā)現(xiàn)對方設(shè)備地址與本機設(shè)備地址有沖突，此時進入Address Conflict Resolution過程, 解決完設(shè)備沖突后再返回,。
??? 圖3是一個標(biāo)準(zhǔn)的紅外數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機流程,，但在一些嵌入式設(shè)計方案中，出于省電等目的,，可以不進入Address Discovery過程,，也就是簡化掉Address Discovery過程而轉(zhuǎn)入Sniff過程。在探查一定時間后,，若未收到對方設(shè)備響應(yīng)幀,，自動進入休眠狀態(tài)，若收到對方設(shè)備響應(yīng)幀,，則進入正常的連接過程,。同時，在連接過程與對方協(xié)商傳輸參數(shù)的過程中有一項窗口大?。╳indows size）參數(shù),，它是指定接收方可緩沖多少個幀后再進行接收確認，其數(shù)值為1～7,。在嵌入式系統(tǒng)存儲空間有限的情況下,，可以采用默認值1進行數(shù)據(jù)的簡單確認，也就是接收到一個數(shù)據(jù)幀后立即進行確認,。這樣既節(jié)省了資源又使代碼量更小,，運行速度更快。
4 嵌入式系統(tǒng)中紅外協(xié)議實現(xiàn)設(shè)計
??? 筆者采用Sitronix公司的ST2204電路板為硬件平臺,，處理芯片內(nèi)核為65C02,。ST2204電路板使用了集成的8位處理器，尋址能力達到了44M字節(jié),，并提供了低電壓檢測功能,。由于2204集成了上述這些功能,，非常適合省電、支持長電池壽命的手持移動設(shè)備嵌入式設(shè)計實現(xiàn)方案,。在固件設(shè)計,、軟件設(shè)計" title="軟件設(shè)計">軟件設(shè)計方面采用了匯編語言。65C02上的匯編采用存儲器映象方式,，并廣泛使用了零頁尋址,，因此使用起來十分方便、高效,。整個設(shè)計實現(xiàn)可分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分,。硬件設(shè)計包括電路設(shè)計和固件程序(Firmware)的編寫；軟件設(shè)計包括CRC數(shù)據(jù)編碼校驗,、數(shù)據(jù)收發(fā)及主站（Primary）,、輔站（Slave）狀態(tài)機流程實現(xiàn)等。
??? 在硬件設(shè)計方面根據(jù)對設(shè)備的需求和硬件板芯片性能,，可以設(shè)計出相應(yīng)的電路在仿真板上進行實驗,。固件程序的編寫可采用分塊的方法，例如初始化（Initialize）模塊,、中斷處理（Interrupt）模塊、時鐘（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)提供的各個寄存器值設(shè)置初始化參數(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,，運行的時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),。時鐘事件處理可根據(jù)硬件板提供的基本時鐘設(shè)置不同的時鐘精度，以滿足不同的需求,。在紅外傳輸實際設(shè)計中定時器主要用于三個方面：第一是sniff探查過程中主站發(fā)廣播幀后輔站超時未響應(yīng)的處理,；第二是超時重發(fā)控制；最后一個是數(shù)據(jù)傳輸過程中輪轉(zhuǎn)時間片的控制,。其中第三個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。因此有必要把超時處理放在中斷處理,。在程序編寫時使用信號量和程序計數(shù)器進行時間控制,。其基本思路是設(shè)置一個程序計數(shù)器進行累加計時，當(dāng)各自事件時間到達時分別設(shè)置三個信號量來標(biāo)志事件處理,，當(dāng)事件處理完畢后重置各自信號量,，轉(zhuǎn)入重新計時。
??? 在軟件設(shè)計方面,，要對發(fā)送的數(shù)據(jù)進行幀包裝（Frame Wrapper）,，添加CRC16校驗,，用匯編實現(xiàn)CRC算法比C稍微復(fù)雜些。一個主要的技巧是將要進行校驗的數(shù)據(jù)地址和CRC數(shù)據(jù)表的索引地址置入一個零頁的內(nèi)存地址中,， 采用通用寄存器" title="通用寄存器">通用寄存器對其進行間接尋址,。這樣就實現(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) 兩種角色。主站角色負責(zé)發(fā)起,，建立連接,，進行時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等。輔站主要負責(zé)應(yīng)答,，響應(yīng)命令,。在一定條件下主站輔站角色可以互換，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,。在接收方首先會進行硬件初始化，設(shè)置UART接收初始化狀態(tài)并進行中斷允許標(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)到達后即會觸發(fā)一個UART中斷,，系統(tǒng)處理完當(dāng)前事件后便會根據(jù)中斷向量表提供的入口地址調(diào)用接收中斷處理程序接收數(shù)據(jù)。在接收過程中,，UART會搜尋匹配開始位和結(jié)束標(biāo)志,。接收完畢后，返回系統(tǒng)調(diào)用程序,。在實際應(yīng)用中,，當(dāng)接收完數(shù)據(jù)后，即可按接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)機進行流程處理,。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?#IrDA_BAG_LEN??; 一個包的長度
????? ??bcs??err_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字節(jié)時觸發(fā)。它先將通用寄存器值壓棧保存,，接下來進行狀態(tài)寄存器的控制,，并檢查一些狀態(tài)標(biāo)志，然后進行數(shù)據(jù)的接收,；將數(shù)據(jù)保存在一個緩存里,，并進行溢出等狀態(tài)的檢測和控制。最后恢復(fù)通用寄存器的值,，返回中斷調(diào)用函數(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。還有一點要說明：UART是工作在半雙工模式下,，在一些實時系統(tǒng)和時間精度要求較高的應(yīng)用中是不能同時進行收發(fā)數(shù)據(jù)的,。但由于其收發(fā)時間片較短（最長為500ms），在一些普通應(yīng)用中可以模擬成同時收發(fā),。
??? 在程序編寫完后對其進行編譯/連接定位,，用調(diào)試器以16進制的形式加載在主機開發(fā)系統(tǒng)中即可進行模擬調(diào)試。但是模擬調(diào)試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)機流程。對于調(diào)試UART數(shù)據(jù)收發(fā)等實時性較強的硬件特征還需到目標(biāo)系統(tǒng)上進行驗證,。

參考文獻
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