文 献 综 述

1.红外通讯技术的应用现状

在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外通信则是被采用较多的一种方法。红外通信具有控制简单、实施方便、传输可靠性高的特点，是一种较为常用的通信方式。红外线通信是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入。从早期的IRDA规范（115200bps）到ASKIR（1.152Mbps)，再到最新的FASTIR（4Mbps），红外线接口的速度不断提高，使用红外线接口和电脑通信的信息设备也越来越多。红外线接口是使用有方向性的红外线进行通讯，由于它的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以只适合于短距离无线通讯的场合，进行"点对点"的直线数据传输，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。预计在不久的将来，红外技术将在通信领域得到普遍应用，数字蜂窝电话、寻呼机、付费电话等都将采用红外技术。红外技术的推广意味着膝上计算机用户不用电缆连接的新潮即将到来。由于红外通信具有隐蔽性，保密性强，故国外军事通信机构历来重视这一技术的开发和应用。这一技术在军事隐蔽通信，特别是军事机密机构、边海防的端对端通信中将发挥出重要的作用。红外通信技术具有技术成熟、成本低廉、兼容性好和通信速率较高的特点, 而且已经获得了广泛的软硬件支持并且正在被普遍地使用, 在近距离无线数据通信领域担当重要角色。^[1]

2.红外通信的基本原理

红外线是可见光谱中位于红色光之外的光线。尽管肉眼看不到这种光线, 但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号, 实施红外线通讯。利用红外线通信无需连线, 只需将两设备的红外线装置对正即可传输数据。红外线通信方向性很强, 适用于近距离的无线传输。红外线通信, 通常又叫红外光通信, 是利用红外线来传送信息的一种通信方式。红外线通信分为以光缆为传输介质的有线光通信和用无线电波来传输的无线光通信。红外线通信所传输的内容是多样的, 可以是音频信号, 也可以是视频信号; 可以是模拟信号, 也可以是数字信号。

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。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。对于发送端来说,当无红外脉冲发射时,发送的是二进制数据”1”；而有红外脉冲发射时发送的是二进制数”0”。而对于接收端来说,没有接收到红外光,则认为是”1”;接收到则认为是”0”。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。原理图如图1所示。^[2]

图1 红外通信原理

3.红外通信协议

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2所示。

图2 红外协议栈示意图

其中基本的协议有：

①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。

②连接建立协议（IrLAP）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。

③连接管理协议（IrLMP）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。

④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。

⑤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。

⑥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。

⑦局域网访问协议（IrLAN）允许通过红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。^[3]

4.红外通讯技术的特点

红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射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，就构成红外通信系统。红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场。随着移动计算和移动通讯设备的日益普及，红外数据通讯已经进入了一个发展的黄金时期。从IRDA 成立至今，红外数据协会的会员人数不断增加，当今在IT 业和通讯业的大公司几乎都在其中，由此可见IRDA 标准已经得到了业界的广泛认同和支持。尽管现在有了同样是近距离无线通讯的蓝牙技术，但红外通讯技术以其低廉的成本和广泛的兼容性作为优势，在将来很长的一段时间内在短距离的无线数据通讯领域仍然扮演着及其重要的角色。^[4]

红外通讯技术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：

（1）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

（2）主要是用来取代点对点的线缆连接。

（3）新的通讯标准兼容早期的通讯标准。

（4）小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强。

（5）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。

红外数据通讯技术的缺点：

（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（115.2kbit/s）。

（3）红外通讯技术主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。^[5]

5.红外通信软件设计

收发数据的中断函数最重要也是底层的核心所在。接收方首先会进行硬件初始化，设置UART接收初始化状态并进行中断允许标志设置。当红外数据到达后即会触发一个UART中断，系统处理完当前事件后便会根据中断向量表提供的入口地址调用接收中断处理程序接收数据。在接收过程中，UART会搜寻匹配开始位和结束标志。接收完毕后，返回系统调用程序。在实际应用中，当接收完数据后，即可按接收帧控制域判断帧类型，并结合接收站所处的相应状态机进行流程处理。UART是工作在半双工模式下，在一些实时系统和时间精度要求较高的应用中时不能同时进行收发数据的。但由于其收发时间片较短（最长为500ms），在一些普通应用中可以模拟成同时收发。

在实际通信过程中,除随机错误外,往往出现突发错误,它由一连串的全”1”组成。红外通信中,由于红外传输的特殊性,突发错误往往是由于强光干扰或空气中尘埃、烟雾对红外线的散射与吸收所引起的连续多位错误。在误码区间内,码元变为全”0”或全”1”,数据位D3～D7 被干扰。对于此类错误,简单的奇偶校验无能为力,而采用数据取反重发方式就能检测出这类错误。单片机发送和接收流程如图3 所示。^[7]

图3 单片机发送和接收流程图

接收方在收到信号后,利用两次数据来判断正误,在有外部干扰时,在正常数据信号和其反码信号相对应的位置上受到相反干扰的几率是极小的,因此,接收方能利用此方式检测出信号误码。为了提高红外传输的可靠性, 采用的通信协议是自动重传的停止等待协议，协议效果好, 误码率低, 达到了设计目的。^[8]

通信方式:红外通信系统采用异步半双工通信方式, 即通信的某一方发送和接收是交替进行的。通信的数据格式为每帧10位, 包括1位起始位、8位数据位和1位停止位, 见图4。^[9]

图4 字节传输序列

6.系统断电时的数据保护方法

在测量、控制等领域的应用中，常要求单片机内部和外部RAM中的数据在电源掉电时不丢失，重新加电时，RAM中的数据能够保存完好，这就要求对单片机系统加接掉电保护电路。掉电保护通常可采用以下三种方法：一是加接不间断电源，让整个系统在掉电时继续工作，二是采用备份电源，掉电后保护系统中全部或部分数据存储单元的内容；三是采用EEPROM来保存数据。由于第一种方法体积大、成本高，对单片机系统来说，不宜采用。第二种方法是根据实际需要，掉电时保存一些必要的数据，使系统在电源恢复后，能够继续执行程序，因而经济实用，故大量采用。EEPROM既具有ROM掉电不丢失数据的特点，又有RAM随机读写的特点。但由于其读写速度与读写次数的限制，使得EEPROM不能完全代替RAM。

采用软件冗余措施保证数据的准确性，最常用的一种方法是采用软件冗余措施, 即将欲保护的数据写入RAM 中的不同区域,如0000H~00FFH、0100H~01FFH和0200H~02FFH 这3个区域存储同样一组数据, 当使用这些数据前, 先对各组进行检查, 对于正确的数据方可应用, 同时将错误的数据进行修正, 在上电与断电过程中, 总线不确写性是随机的, 不可将所有数据完全冲失。 采用硬件对数据进行断电保护, 同时在软件上采用冗余的措施是最常用的数据保护方法, 在断电突然发生时可保证数据的准确无误。^[16]

参考文献

[1] 刘德国, 朱万林.红外通信在智能仪表中的应用[J].仪表技术.2008,(11):16~20.

[2] 许继彦, 杜钦生,红外通信模块的设计与实现[J].长春大学学报.2009,(10):49~51.

[3] 叶晖.红外通讯协议在嵌入式系统中的实现[J].电子技术应用.2004,(07):53~55.

[4] 刘文君.基于单片机的红外通讯系统[J]. 电脑知识与技术.2010,(24):23~24.

[5] 张健.红外通信技术浅析[J]. 信息与电脑(理论版).2012,(02):169.

[6] 陈艺宏,赵鹏，吴建成.红外数据通信接口设计[J].信息系统工程.2010,(11):77~78.

[7] 陈海,胡建旺,祝爱民.基于红外的数据通信模块的设计与实现[J]. 微计算机信.2008,(24):288~289.

[8] 王成义,郭秀梅,丛晓燕.新型低功耗红外数据采集器的设计与实现[J].工矿自动化.2010,(08):4~7.

[9] 谢平，王得芳.基于嵌入式控制器的红外通信系统设计[J].青海大学学报(自然科学版).2009,(04):38~41.

[10] 李志强, 彭友云.基于单片机的红外通信接口的设计[J].广西轻工业.2007,(3):50.

[11] 张利娜，洪显昌.红外通信的设计与实现[J].现代电子技术.2008，(23):87~92.

[12] 石磊,刘忠艳.红外通信接口在单片机系统中的设计[J].信息技术.2003,(07):85~87.

[13] 陈祖爵，王继凤，王加民.基于嵌入式Linux 的红外通信系统设计[J]. 计算机工程与设计.2009,(04):816~818.

[14] Patrick J. Megowan, David W. Suvak, Charles D. Knutson,Inc. IrDA Infrared Communications: An Overview[R]. http://dogbert.mse.cs.cmu.edu/charlatans/References/Overview.pdf

[15] Joseph M. Kahn, John R. Barry .Wireless Infrared Communications[R]. http://pompone.cs.ucsb.edu/~wenye/majorexam/Communication/Kahn97.pdf

[16] 贺舒榕. 单片机应用系统断电时的数据保护方法[J].云南大学学报（自然科学版）.2007，(29):135~138.

[17] 茅力群. 仪器在掉电时重要数据的保护方法[J].微计算机信息.2007,(07):181~182.

本课题要研究解决的问题是基于嵌入式系统关于红外通信技术方面的应用。

通关查阅文献，了解红外通信技术应用及其协议、在数据采集方面使用红外传输的优缺点，注意改善系统性能。深入理解红外协议内容，认清发展前景。本课题采用STM32系列嵌入式系统进行软件开发，因此C语言方面的扎实的功底十分重要。同时也要注意了解硬件设计方面内容，充分发挥红外通信的优势，对于硬件中产生的缺点采用软件方面的设计进行弥补。在程序设计时，发射端应该注意高低电平的时序，严格按照规定的频率进行设计。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。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。

另外也要查询更多详细资料以及部分应用实例，争取理解运用。熟练使用Keil4进行编程开发，了解各类芯片使用功能，争取完成驱动程序开发，在完成程序主体框架后，通过不断调试使系统能正常使用，实现功能。在主体功能实现后，对软件版本进行更新，对内容进入扩展。先从简单使用功能开始，在不断学习开发过程中慢慢提高，争取编写功能稳定强大的数据采集器。

最后调试检查各类程序漏洞及错误，力争全部调试成功。再不断完善程序，增强可读性以及可移植性。预期效果：完成同手持红外数据采集器硬件系统的联合调试，并实现对红外通讯终端的数据采集，系统可稳定运行。希望可实现的功能有实现测试、时钟、采集三页面的切换，及可调万年历，电量显示，连续采集数据，单步采集等功能。