??? 摘?要： 從紅外通訊協(xié)議的特點(diǎn)、基本原理對(duì)紅外無(wú)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)" 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(jì)要點(diǎn)。
??? 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(jī)

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??? 紅外和藍(lán)牙協(xié)議是兩種較流行的短距離無(wú)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" title="紅外通信">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)現(xiàn)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(jiàn)光，是一種人的眼睛看不到的光線。目前無(wú)線電波和微波已被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)距離的無(wú)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(wú)線通信場(chǎng)合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線數(shù)據(jù)傳輸。為了使各種設(shè)備能夠通過(guò)一個(gè)紅外接口進(jìn)行通信，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(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。

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??? 下面對(duì)圖2作幾點(diǎn)說(shuō)明：（1）數(shù)據(jù)傳輸時(shí)首先進(jìn)入Address Discovery過(guò)程，在此過(guò)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)入Connect過(guò)程，在此過(guò)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(guò)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(guò)程，斷開(kāi)連接。（5）在Address Discovery過(guò)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(guò)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(guò)程，也就是簡(jiǎn)化掉Address Discovery過(guò)程而轉(zhuǎn)入Sniff過(guò)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(guò)程。同時(shí)，在連接過(guò)程與對(duì)方協(xié)商傳輸參數(shù)的過(guò)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)" title="軟件設(shè)計(jì)">軟件設(shè)計(jì)方面采用了匯編語(yǔ)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(lái)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(xiě)；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)機(jī)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)。固件程序的編寫(xiě)可采用分塊的方法，例如初始化（Initialize）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(shuō)明(Specification)提供的各個(gè)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(xiě)，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)鐘事件處理可根據(jù)硬件板提供的基本時(shí)鐘設(shè)置不同的時(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)方面：第一是sniff探查過(guò)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(guò)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(xiě)時(shí)使用信號(hào)量和程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間控制。其基本思路是設(shè)置一個(gè)程序計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加計(jì)時(shí)，當(dāng)各自事件時(shí)間到達(dá)時(shí)分別設(shè)置三個(gè)信號(hào)量來(lái)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" title="通用寄存器">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(yǔ)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(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(huì)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(shuō)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)用接收中斷處理程序接收數(shù)據(jù)。在接收過(guò)程中，UART會(huì)搜尋匹配開(kāi)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(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?#IrDA_BAG_LEN??; 一個(gè)包的長(zhǎng)度
????? ??bcs??err_over????; 溢出否
????? ??lda???sta?mReadBuff,x???; 寫(xiě)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(lái)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)用函數(shù)。按照類似的原理可以編寫(xiě)出紅外發(fā)送方程序。編寫(xiě)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(shuō)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(xiě)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)中即可進(jìn)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(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。

參考文獻(xiàn)
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