基于ARM920T的紅外通信系統(tǒng)的設計

摘 要： 提出了采用以基于內(nèi)核ARM920T的嵌入式微處理器S3C2440A為核心，以基于嵌入式Linux的ZHX1403為紅外收發(fā)器的紅外通信系統(tǒng)的設計方案。設計了紅外收發(fā)器在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序，并給出了紅外通信系統(tǒng)應用的設計編程方法。
關(guān)鍵詞： 紅外通信；ARM920T；S3C2440A；Linux；ZHX1403

目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)進入了蓬勃發(fā)展的時代，越來越多的帶紅外通信功能的嵌入式設備走進人們的生活當中。紅外通信是利用紅外光進行通信的一種空間通信方式。紅外通信標準IrDA(Infrared Data Association)是目前IT和通信業(yè)普遍支持的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。盡管通信距離只有幾米，卻有很多優(yōu)勢：紅外連接比有線連接更安全可靠，并且避免了因線纜和連接器磨損和斷裂造成的檢修；它的小型化和低成本，很適合應用在便攜式產(chǎn)品中；并且紅外通信成本低廉，跨平臺適應性好，傳輸速率高，適宜用于低成本、跨平臺、點對點高速數(shù)據(jù)連接，尤其適用于嵌入式系統(tǒng)。
1 IrDA標準簡介
紅外標準IrDA的章程是建立通用的、低功率電源的、半雙工紅外串行數(shù)據(jù)互聯(lián)標準、支持近距離、點到點、設備適應性廣的用戶模式。建立該標準是在各種設備之間較容易地進行低成本紅外通信的關(guān)鍵。
IrDA就是一個點對點的協(xié)議，用在近距離進行異步串行傳輸。IrDA規(guī)范1.0定義了數(shù)據(jù)傳輸率最高到115.2 kb/s的紅外通信；規(guī)范1.1將數(shù)據(jù)傳輸率提高到4 Mb/s，并保持了對版本1.0產(chǎn)品的兼容； 規(guī)范1.2定義了最高速度為 115.2 kb/s下的低功耗選擇；規(guī)范1.3將這種低功耗選擇功能推廣到1.152 Mb/s和4 Mb/s[1]，規(guī)范1.4廢棄并替代了規(guī)范1.3，定義了最高速度為16 Mb/s下的低功耗選擇[2]。
2 紅外通信系統(tǒng)的總體方案
基于ARM920T的紅外通信系統(tǒng)由軟、硬件兩部分組成。硬件部分包括基于ARM920T內(nèi)核的微處理器S3C2440A及存儲器等硬件開發(fā)平臺和基于紅外收發(fā)器ZHX1403的紅外通信模塊兩部分；軟件部分包括紅外通信模塊驅(qū)動程序、紅外通信應用程序和嵌入式Linux操作系統(tǒng)三部分。
3 紅外通信系統(tǒng)的硬件設計
3.1 硬件開發(fā)平臺
嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺采用S3C2440A為控制器。S3C2440A是32 bit RISC處理器，內(nèi)嵌ARM920T核。它的低功耗，簡潔，美觀和全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用場合。S3C2440A提供手持設備和低功率的一般應用的方案，以及高性能的微控制器解決方案[3]。
S3C2440A有如下特點：(1)最高可達400 MHz的主頻；(2)內(nèi)部集成LCD控制器(高達4 K彩色STN和256 K色TFT)液晶顯示專用的DMA；(3)3路異步串行通信接口(支持IrDA1.0，64 B的FIFO發(fā)送和64 B的FIFO接收)；(4)IIS音頻編解碼器接口；(5)內(nèi)置看門狗定時電路及實時時鐘(RTC)；(6)內(nèi)部集成兩路USB主控制器和1路USB設備控制器(版本1.1)；(7)4路PWM定時器，1通道內(nèi)部定時器/看門狗定時器；(8)130個通用I/O端口，24通道外部中斷源；(9)8路10 bit ADC和觸摸屏接口；(10)增強型ARM架構(gòu)的MMU支持WinCE、嵌入式Linux操作系統(tǒng)。
3.2 紅外通信模塊
ZHX1403是ZiLOG公司出品的一款專用于PDA、網(wǎng)絡應用、醫(yī)療電子、手持式設備的紅外收發(fā)器，且與IrDA1.4協(xié)議標準兼容[4]。它支持所有紅外通信協(xié)議支持的SIR紅外傳輸速率，采用半雙工串行傳輸方式，并具有Always On技術(shù)，使得長時間的紅外功能開啟成為可能，為紅外設備的應用增加了更多的可能性。它具有極小巧的外型尺寸(7.3 mm×2.8 mm×1.9 mm)，應用電路的空間也是非常小，只需要外接兩個外部元件，與其他支持IrDA標準的收發(fā)器間的典型數(shù)據(jù)連接距離可達1 m。
ZHX1403有7個引腳，依次是NC、Vcc、GND、SD、RXD、TXD、LEDA。ZHX1403與S3C2440 處理器連接電路如圖1所示。LEDA通過一個外接的電阻接到Vcc上，給紅外管提供工作電流。ZHX1403接收數(shù)據(jù)輸出端口TXD與S3C2440A的GPH4/TXD1連接，ZHX1403發(fā)送數(shù)據(jù)輸入端口RXD與S3C2440A的GPH5/RXD1。掉電模式使能控制端SD與S3C2440A的GPB0/TOUT0連接，用來將內(nèi)部的電路控制在關(guān)閉模式。ZHX1403把接收到的數(shù)據(jù)通過GPH5/RXD1傳送給S3C2440A，S3C2440A把預發(fā)送的數(shù)據(jù)通過GPH4/TXD1發(fā)送給ZHX1403的TXD端口，再通過紅外收發(fā)器發(fā)射管發(fā)送。

4 紅外通信系統(tǒng)的軟件設計
4.1 紅外通信協(xié)議的實現(xiàn)
紅外數(shù)據(jù)通信標準包括基本協(xié)議和特定應用領(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，如表1所示[5]。

其中有3個基本的規(guī)范和協(xié)議，即為必要協(xié)議：(1)紅外物理層協(xié)議 IrPHY(Infrared Physical Layer)；(2)紅外連接訪問協(xié)議層 IrLAP(Infrared Link Access Protocol)；(3)紅外連接管理協(xié)議層 IrLMP(Infrared Link Management Protocol)。以上每一層的功能是為上一層提供特定的服務。其中物理層協(xié)議制定了紅外通信硬件設計上的目標和要求，處于最底層。其他兩層屬于軟件協(xié)議的范圍，負責對鏈接進行設置、管理和維護。
在IrLMP協(xié)議上層的協(xié)議都屬于可選的紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可用于特定應用領(lǐng)域的規(guī)范和協(xié)議：(1)流傳輸協(xié)議（TinyTP）；(2)對象交換協(xié)議（IrOBEX）；(3)模擬串口層協(xié)議（IrCOMM）；(4)局域網(wǎng)訪問協(xié)議（IrLAN）；(5)信息訪問服務協(xié)議（IAS）。
驅(qū)動部分是協(xié)議棧的最主要部分，包括了IrLAP、IrLMP、TinyTP、IAS、IrOBEX、IrCOMM和IrLAN等協(xié)議。IrLAP、IrLMP是兩個必選的軟件協(xié)議。物理層上的第一層為IrLAP，它的功能是支持鏈路初始化、設備地址目錄、解決沖突、創(chuàng)建連接、數(shù)據(jù)交換、接觸連接和鏈路關(guān)閉，并且規(guī)定了紅外數(shù)據(jù)包的幀結(jié)構(gòu)及紅外通信的錯誤檢測方法。IrLMP提供建立在IrLAP連接上的多路復用及數(shù)據(jù)鏈路管理。TinyTP對數(shù)據(jù)傳輸進行流控制。IAS提供一個設備所擁有的相關(guān)服務檢索表。IrOBEX提供文件和其他數(shù)據(jù)對象的交換服務。IrCOMM使當前的應用能夠在IrDA平臺上使用串、并口通信，而不必進行轉(zhuǎn)換。IrLAN能為筆記本電腦和其他設備開啟IR局域網(wǎng)通道[6]。
整個紅外協(xié)議棧比較龐大，在嵌入式系統(tǒng)中，由于微處理器的速度和存儲器容量的限制，沒有必要實現(xiàn)整個紅外協(xié)議棧，可以將協(xié)議棧簡化，根據(jù)實際需求，有選擇地實現(xiàn)自己需要的協(xié)議和功能[7]。
4.2 紅外通信模塊驅(qū)動程序的設計
(1)初始化
IrDA不是單純的串口物理通信規(guī)范，而是一種網(wǎng)絡傳輸控制標準。在Linux操作系統(tǒng)下，紅外通信是作為一類特殊的網(wǎng)絡設備來支持的。Linux必須按網(wǎng)絡設備驅(qū)動方法來組織紅外數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸。在linux/net/irda中有紅外設備的代碼?？梢杂孟旅娴暮瘮?shù)初始化一個紅外設備：
struct net_device *alloc_irdadev(int sizeof_priv)
{
return alloc_netdev(sizeof_priv,”irda%d”,irda_device_
setup)；
}
當內(nèi)核啟動或加載網(wǎng)絡驅(qū)動模塊的時候，就會調(diào)用初始化過程。首先檢測網(wǎng)絡物理設備是否存在，通過檢測系統(tǒng)中的紅外串行接口完成，然后初始化與紅外相關(guān)的寄存器，隨后構(gòu)造設備的device數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用檢測到的數(shù)值對device中的變量初始化。最后向Linux內(nèi)核中注冊該設備并申請內(nèi)存空間。
(2)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收
數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收是實現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外驅(qū)動程序中兩個最關(guān)鍵的過程[8]。首先在網(wǎng)絡設備驅(qū)動加載時，通過device域中的init函數(shù)指針調(diào)用紅外設備的初始化函數(shù)對設備進行初始化。初始化成功后可以通過調(diào)用紅外設備的打開函數(shù)打開設備，申請紅外中斷，啟動隊列。數(shù)據(jù)包的發(fā)送通過調(diào)用s3c2440_irda_hard_xmit函數(shù)，禁止接收，關(guān)閉中斷，將上層交付的數(shù)據(jù)幀放入到低層驅(qū)動的緩沖區(qū)中。進入發(fā)送模式，允許發(fā)送中斷，在中斷服務時把底層驅(qū)動緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外接口。
數(shù)據(jù)包的接收通過中斷來完成。當有數(shù)據(jù)到達時，就會產(chǎn)生中斷信號，紅外設備驅(qū)動功能層就調(diào)用接收中斷處理程序，讀取URXH（串口接收緩沖寄存器）中的數(shù)據(jù)。
4.3 紅外通信程序設計
應用層的網(wǎng)絡編程一般利用套接字建立雙方的虛擬連接。紅外通信的Socket稱為紅外套接字（IrSock）。在Linux中，每一種協(xié)議都有自己的網(wǎng)絡地址數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，均以sockaddr_開頭。Linux內(nèi)核在af_irda.c文件中實現(xiàn)了IrDA套接字。定義紅外套接字如下：
struct sockaddr_irda{
sa_family_t sir_family;//協(xié)議類型，一般是AF_IRDA
_u8 sir_lsap_sel;
_u32 sir_addr;
char sir_name[25];
}
分配完套接字后，用bind綁定地址，用listen建立偵聽，等待接收客戶連接。使用send和recv與客戶端通信，最后使用closesocket關(guān)閉連接。
本文在以基于ARM920T內(nèi)核的微處理器S3C2440A為核心的嵌入式開發(fā)平臺上詳細介紹了嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外通信系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)過程。通過對照硬件規(guī)范，可以實現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)下將紅外協(xié)議移植到特定的嵌入式系統(tǒng)中。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下紅外通信系統(tǒng)的開發(fā)對今后的嵌入式系統(tǒng)的應用研究具有較強的實用性，使紅外技術(shù)能在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應用。
參考文獻
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儀器儀表學報，2005(Z2)：478-481.