Инфракрасный интерфейс IrDA.

Инфракрасный интерфейс IrDA.

Инфракрасный интерфейс IrDA является беспроводным интерфейсом, который позволяет освободить устройства от связывающих их интерфейсных кабелей, что особенно привлекательно для малогабаритной периферии, вес которой и размер соизмеримы с кабелями. В беспроводном интерфейсе IrDA используются электромагнитные волны инфракрасного диапазона. Кроме того, существует и беспроводный способ подключения к локальным сетям на "инфракрасной" технике. Компания Hewlett-Packard (еще в 1993 году) перешла к практической реализации технологии ИК (инфракрасной IrDA) 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 был компании был переход к общему стандарту, способному обеспечить совместимость всех устройств, использующих ИК порт. 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, а затем и версия - 1.1. Протокол IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880 nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии (несколько метров) в режиме точка-точка. IrDA намерено не пыталась 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 880 nm пиком) с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи).

Принципы построения инфракрасного интерфейса (см. рис. 1). Устройство инфракрасного интерфейса (рис. 1) 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 они в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь информация пакуется в кадры простого формата -данные передаются 10-битными символами, с 8 битами данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце кадра.

Рис. 1. Интерфейс IrDA

Сам порт IrDA (рис. 2) основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта PC, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400-115200 bps. ИК-портом оснащены практически все современные портативные РС, иногда окно ИК-передатчика можно встретить и на корпусе настольного компьютера. ИК оптоэлектронные системы создаются из отдельных элементов. Основными оптоэлектронными элементами являются:

- источники некогерентного оптического излучения (светоизлучающий диод);

- активные и пассивные оптические среды;

- приемники оптического излучения (фотодиод);

- оптические элементы (линза).

Для реализации инфракрасного интерфейса (кроме, естественно, самой схемы UART, которая реализует COM-порт), нужна микросхема приемопередатчика, например, серии CS8130. Этот прибор является интерфейсом между блоком UART, излучающим светодиодом и светочувствительным PIN-диодом. Он работает в форматах IrDA, ASK и TV-формате беспроводного управления, имеет функции программирования мощности передачи и порога срабатывания приемника.

Рис. 2. Архитектура порта IrDA

Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP очень малого размера (5х7 mm). Многие разработчики использовали микросхему MCS7705, которая представляет собой аппаратный преобразователь USB - IrDA, На базе более современного моста MCS7780 можно реализовать законченный интерфейс между USB и инфракрасным приемо-передатчиком. В качестве приемо-передатчика тоже может быть использован любой стандартный, например TFDU6102 (Vishay).

Интерфейс USB: соответсвует спецификации USB 1.1; питание по USB.

Интерфейс IrDA: режим SIR, скорость передачи от 2,4 кб/с до 115,2 кб/с; режим MIR (Medium IR) скорость передачи до 1,152 Мб/с; режим FIR (Fast IR) скорость передачи до 4 Мб/с. Микросхема рассчитана на работу в коммерческом температурном диапазоне: 0° ~ +70°C. Аппаратный мост USB - IrDA: MCS7780 (рис. 3) состоит из двух главных функциональных блоков, диспетчера USB, и цифрового приемопередатчика IR. Диспетчер USB обеспечивает контроль и конечные точки USB.

Рис. 3. Блок схема микросхемы MCS7780 (мост USB- IrDA) и ее внешний вид

Рассмотрим общую теорию ИК систем. Связь в IrDA полудуплексная, так как передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Пространственный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент. Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART добавляет старт/стопные 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 ms 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 ms. 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 mW/cm2, причем ИК- светодиод должен иметь длину волны 880 nm, как уже отмечалось ранее. 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". Приемник должен точно улавливать ИК-импульсы мощностью от 4 mW/cm2 до 500 mW/cm2 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 применяемые для освещения. Хорошо спроектированные приемники имеют 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.

Инфракрасные устройства должны быть сконфигурированы как ведущее и ведомое. Прежде чем начнется обмен данными, должен пройти процесс идентификации всей доступной устройству-лидеру периферии (enumeration), для чего предназначен специальный формат пакета, называемый "окликом" (hail). После идентификации устройства и регистрации сведений о его максимально возможном времени опроса оно включается в общий цикл Host-опроса. В зависимости от его дальнейшей активности частота обращений может быть повышена или понижена. 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 32-битный адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее устройство при старте присваивает 7-битный 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 9.6 Kbps. Итак, применение излучателей и приемников инфракрасного (ИК) диапазона позволяет осуществлять беспроводную связь между парой устройств, удаленных на расстояние до нескольких метров. Инфракрасная связь безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. Так как ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством.