Инфракрасный протокол связи IrDa

28

Реферат

по курсу

“Интерфейсы”

Инфракрасный протокол связи -- IrDA

Непрерывное развитие информационных технологий требует постоянного увеличения эффективности обработки и передачи информации. Очевидно, идеальная линия передачи данных должна иметь невысокую стоимость, иметь минимальный расход энергии, обладать высокой пропускной способностью и, что весьма желательно, должна быть беспроводной. Обычно словом wireless (беспроводный - англ.) обозначают связь с использованием радиосигнала. Однако, не стоит забывать, что канал передачи информации можно создать и с помощью оптических устройств, то есть, попросту говоря, с помощью света. Опыт показывает, что среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК-) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров). В частности, он эффективен для обеспечения беспроводной связи между персональным компьютером и периферийными устройствами.

Что такое IrDA?

В 1979 году компания Hewlett-Packard объявила о начале продаж нового калькулятора, главной особенностью которого являлось наличие у него инфракрасного порта для вывода информации на печать. После этого в течение нескольких лет разработчиками электронного оборудования была предложена целая серия приборов и устройств, использующих для передачи информации открытый оптический канал в инфракрасном диапазоне. Однако, все эти устройства не могли получить широкого распространения вследствие своей несовместимости. Поэтому в 1993 году была основана Infrared Data Association (IrDA), международная некоммерческая организация, ставящая своей целью разработку единых стандартов, используемых для организации инфракрасных линий передачи информации.

Летом 1993 года компания Hewlett-Packard организовала общепромышленное совещание, чтобы обсудить будущее ИК (инфракрасный) передачи данных. Многообразие несовместимых стандартов было печальной реальностью, причинявшей массу неудобств всем от того, что устройства от разных производителей были несовместимы. Телевизоры, видеомагнитофоны, другая бытовая техника с ИК управлением сегодня встречается на "каждом углу", однако в них используются несовместимые физические и программные интерфейсы. Целью совещания было обсуждение путей, которыми промышленность может пойти к общему стандарту, способному совместимость всех устройств, использующих ИК порт. На совещании был сформирован консорциум всех ведущих компаний, названных Ассоциацией инфракрасной передачи данных и вскоре (в июне 1994 года) была объявлена первая одноименная версия стандарта, включающая физический и программный протоколы - IrDA 1.0. Текущая версия - 1.1.

Первым стандартом, принятым IrDA, был, так называемый, Serial Infrared standart (SIR). Данный стандарт позволял обеспечивать передачу информации со скоростью 115,2 kb/s. В 1994 году IrDA опубликовала спецификацию на общий стандарт, получивший название IrDA-standart, который включал в себя описание Serial Infrared Link (дословно - Последовательная Инфракрасная линия связи), Link Access Protocol (IrLAP) (Протокол доступа) и Link Management Protocol (IrLMP) (Протокол управления). Уже в 1995 году несколько лидеров на рынке электроники выпустили серию продуктов, использующих для передачи информации по открытому оптическому каналу IrDA-standart. И, наконец, в ноябре 1995 года Microsoft Corporation заявила о внесении программного обеспечения, обеспечивающего инфракрасную связь, использующую IrDA-standart, в стандартный пакет операционной системы Windows'95. В настоящее время IrDA-standart - самый распространенный стандарт для организации передачи информации по открытому инфракрасному каналу.

Итак, протокол IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точка-точка. IrDA намерено не пытался создавать локальную сеть на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы очень сложны и требуют большой мощности, а в цели IrDA входили низкое потребление и экономичность. Интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850-900 nm с 880nm "пиком") с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи).

Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого формата - данные передаются 10bit символами, с 8bit данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце данных.

Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400-115200 bps.

Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент.

В общем виде схема организации IrDA - канала выглядит примерно так, как показано на рисунке

Типовая блок-схема организации IrDA-канала

Канал передачи данных состоит из двух основных элементов: микросхемы, обеспечивающей модуляцию и демодуляцию поступающего двоичного сигнала согласно определенного алгоритма, и инфракрасного (ИК-) приемно-передающего модуля.

Рассмотрим физические основы IrDA.

Передающая часть. Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные биты кодировались таким образом: логический "0" передается одиночным ИК-импульсом длиной от 1.6? s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6? s.

По окончании кодирования битов необходимо возбудить один или несколько ИК-светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс требуемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе 30° была в диапазоне 40-50 ? W/Sr, причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880nm, как уже отмечалось ранее. Радиальная чувствительность приемника и длины связи диктуются, исходя из требований самой спецификации IrDA.

Приемная часть. Переданные ИК-импульсы поступают на PIN-диод, преобразующий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни. ИК-импульс в активном состоянии генерирует "0", при отсутствии света генерируется логическая "1". Протокол IrDA требует, чтобы приемник точно улавливал ИК-импульсы мощностью от 4? W/sm2 до 500mW/sm2 в угловом диапазоне ? 15°.

Для ИК-излучения cуществует два источника интерференции (помех), основным из которых является солнечный свет, но к счастью в нем преобладает постоянная составляющая. Правильно спроектированные приемники должны компенсировать большие постоянные токи через PIN-диод. Другой источник помех - флуорисцентные лампы - часто применяются для общего освещения. Хорошо спроектированные приемники должны иметь полосовой фильтр для снижения влияния таких источников помех. Вероятность ошибок связи будет зависеть от правильного выбора мощности передатчика и чувствительности приемника. В IrDA выбраны значения, гарантирующие, что описанные выше помехи не будут влиять на качество связи.

Стандарт IrDA включает в себя стек протоколов трех согласованных обязательных уровней: IrPL (Physical Layer), IrLAP (Link Access Protocol) и IrLMP (Link Management Protocol).

Физический уровень (Physical Layer). Спецификация этого протокола устанавливает стандарты для Ir-трансиверов, методов модуляции и схемы кодирования/декодирования, а также ряд физических параметров. Стандарт предусматривает использование длины волны в диапазоне 850-900 nm. Минимальная и максимальная интенсивность передатчика (как уже говорилось) составляет 40-50 ? W/Sr соответственно внутри 30° конуса. Для стандарта IrDA (скорость передачи данных 115.2Kbps) схема кодирования аналогична используемой в традиционной UART: бит старта ("0") и стоп-бит ("1") добавляются перед и после каждого байта соответственно. Но вместо схемы NZR (Non-Return to Zero) используется кодировка, подобная RZ (Return to Zero), т.е. двоичный "0" кодируется единичным импульсом, а "1" - его отсутствием. Кадры отделяются друг от друга байтами Escape-последовательности, содержащимися в теле самого кадра. Для определения ошибок (EDt - Error Detection) используется 16bit циклическая контрольная сумма. Например, уже в стандарте IrDA 1.1 для протокола обмена 1.152Mbps (синхронизация выполняется как в протоколе HDLP - High-level Data Link Protocol высокого уровня) и 4Mbps (использование 4-PPM - Pulse-Phase Modulation) старт-бит и стоп-бит не применяются. Так, фреймы, получаемые от более высокоуровневого протокола IrLAP, вкладываются в поле данных фреймов SIR, согласно используемому методу кодирования. Стандарт не содержит обязательных вариантов реализации этой процедуры и допускает варьирование алгоритмов в зависимости от возможностей конкретного оборудования. В зависимости от скорости соединения предлагаются методы кодирования: асинхронный (ASYNC, 9600-115200 bps), синхронный (HDLC, 0.576-1.152 Mbps) и 4-PPM (4Mbps).

Программный протокол.

Он включает в себя: IrLAP (Link Access Protocol), занимающийся разбиением данных на блоки, контролем ошибок и другими функциями низкого уровня, и IrLMP (Link Management Protocol), позволяющий по одной ИК-линии обмениваться данными между несколькими приложениями. Данный протокол базируется на существующих стандартах асинхронной полудуплексной передачи данных HDLC и SDLC. Инфракрасная технология поддерживает только однонаправленную передачу информации, поэтому, в следствие полудуплексной природы SIR, возникла архитектура с одним главным (первичным) и множественными подчиненными (вторичными) устройствами. Схема обращения устройств представляет собой обычный протокол обмена данными, где есть фазы запросов (Request) и ответов (Response). Так, первичное устройство отвечает за организацию соединения, обработку ошибок, и посланные им фреймы называются управляющими (Command Frames), а пакеты вторичных устройств именуются ответными (Response Frames). Обмен информацией идет только с первичным устройством, которое всегда выступает инициатором соединения, однако его роль может играть любое из устройств, поддерживающих необходимые для этого функции. По желанию может быть включен протокол транспортного уровня, позволяющий осуществлять контроль передачи между приложениями в случае одновременной работы нескольких приложений на одной физической линии. Для разных уровней имеется три интерфейса. Служебные примитивы уровня LM-SVC позволяют одному из устройств IrDA узнать какие сервис и протоколы зарегистрированы на другом устройстве. Примитивы доступа к уровню M-SVC управляют режимом связи, открытием и закрытием независимых соединений между клиентами, а так же отправкой и приемом данных. Интерфейс L-SVC дает доступ к функциям протокола IrLAP.

Устройства, соответствующие стандарту IrDA, перед началом передачи должны в первую очередь попытался выявить (прочитать) нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне, установить не ведется ли какая-либо передача в пределах его досягаемости. Если такая активность обнаружена, то программе, выдающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а сам блок откладывает передачу. Поскольку оба соединяющихся устройства могут быть компьютерами (а не компьютер и принтер, или клавиатура, мышь), то любое из них может быть ведущим. Выбор зависит от того, какое устройство первым проявит инициативу.

Каждое устройство имеет 32bit адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее устройство при старте присваивает 7bit-адрес соединения. Для возможных, но нежелательных случаев, когда два устройства имеют одинаковый адрес, предусмотрен такой механизм, когда ведущее устройство дает команду всем подчиненным устройствам изменить их адреса. В процессе установления связи два устройства "договариваются" о максимальной скорости, с которой они оба могут работать. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9.6Kbps.

Максимальный квант передачи может быть равен 100, 200 или 500 ms. Он представляет собой максимальное время, в течение которого устройство передает данные до того, как перейдет к прослушиванию подтверждения приема и зависит от скорости передачи, емкости буфера в принимающем устройстве. Минимальная длительность передачи определяется неспособностью передающего устройства перейти к приему данных сразу после выдачи последнего бита. Дело в том, что усилитель PIN-диода в передающем устройстве входит в состояние насыщения от собственной передачи. Время восстановления приемника - переменная величина, составляющая 0.001-10 ms. Этот параметр для данного устройства должен быть заранее известен и учитывается в фазе переговоров об установлении соединения. Процедуры расширенного восстановления включают в себя функцию сброса, которая прерывает связь, но потом восстанавливает активное состояние с параметрами соединения, используемые по умолчанию.

Страницы: 1, 2