Как работает IrDA?
IrDA относится к категории wireless (беспроводных) внешних интерфейсов, однако в отличие от радио-интерфейсов, канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. 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).
Протокол IrDA (InfraredDataAssotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880nm. Порт IrDAпозволяет 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 (UniversalAsynchronousReceiverTransmitter) 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.
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 "О" передается одиночным ИК-импульсом длиной от 1.6ц s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6ц 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 ц W/Sr, причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880шп, 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 4ц W/sm2 до 500mW/sm2 в угловом диапазоне ± 15°.
Для ИК-излучения существуют 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.
На рисунке 1 представлена принципиальная схема инфракрасного порта IrDA.
|
Рисунок 1. Схема инфракрасного порта IrDA
Примеры схем IrDA-интерфейса
В общем виде схема организации IrDA - канала выглядит примерно так, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. 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.
В настоящей статье мы рассмотрим SIR-стандарт, обеспечивающий скорость передачи
| Рисунок 3. Принцип модуляции "3/16", используемый в SIR-стандарте. |
информации 115,2kb/s. В данном стандарте используется так называемая модуляция "3/16". Принцип данного вида модуляции проиллюстрирован на рисунке 3. Длительность импульса, подаваемого на приемно-передающий модуль равна 3/16 от длительности номинального бита данных. Кроме того, при SIR-модуляции используется инверсия бита данных. Эти преобразования обеспечиваются первым основным элементом схемы - модулирующей микросхемой. В зависимости от используемого интерфейса (шины данных) применяются различного рода чипы.
|
3 Экспериментальная часть
3.1Выяснили принципы работы приемо-передающей части инфракрасного порта интерфейса IrDA на основе принципиальной схемы (Рис. 1).
3.2 С помощью программы ElectronicsWorkbench смоделировали работу приемо-передающей части интерфейса IrDA. Убедившись в работоспособности модели, составили таблицу истинности.
3.3 Полученные результаты оформить в виде отчета.
4 Ответы на контрольные вопросы
4.1 Области применения интерфейса IrDА.
ИК-лучи не проходят через стены, поэтому зона приема ограничивается небольшим, легко контролируемым пространством. Инфракрасная технология привлекательна для связи портативных компьютеров со стационарными компьютерами или док-станциями. Инфракрасный интерфейс имеют некоторые модели принтеров, им оснащают многие современные малогабаритные устройства: карманные компьютеры (PDA), мобильные телефоны, цифровые фотокамеры и т. п.
4.2 Физика работы приемо-передающей части инфракрасного порта.
Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности 880 нм; светодиод дает конус эффективного излучения с углом около 30°.В качестве приемника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15°. Спецификация IrDA определяет требования к мощности передатчика и чувствительности приемника, причем для приемника задается как минимальная, так и максимальная мощность ИК-лучей. Импульсы слишком малой мощности приемник не «увидит», а слишком большая мощность «ослепляет» приемник — принимаемые импульсы сольются в неразличимый сигнал. Кроме полезного сигнала на приемник воздействуют помехи: засветка солнечным освещением и лампами накаливания, дающая постоянную составляющую оптической мощности, и помехи от люминесцентных ламп, дающие переменную (но низкочастотную) составляющую. Эти помехи приходится фильтровать. Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BitErrorRatio, BER) не более 10"9 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность до 10 клюке). Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится задействовать полудуплексную связь с определенными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.
Спецификация IrDA определяет многоуровневую систему протоколов, которую рассмотрим снизу вверх.
4.3 Ограничения в использовании интерфейса IrDA.
Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок (BitErrorRatio, BER) не более 10"9 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность до 10 клюке). Поскольку передатчик почти неизбежно вызывает засветку своего же приемника, вводя его в насыщение, приходится задействовать полудуплексную связь с определенными временными зазорами при смене направления обмена. Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию (есть свет — нет света) и различные схемы кодирования.
Вывод
В ходе выполнения лабораторной работы мы ознакомилисьс устройством инфракрасного интерфейса IrDA и смоделировали его работу приемо-передающей части с помощью программы ElectronicsWorkbench фирмы InteractiveImageTechnologiesLtd.
Простой ИК генератор
Принципиальная схема генератора приведена на рис. 4. На элементах DD1.1, DD1.2 собран мультивибратор, возбуждающийся на частоте F=30...35 Гц (F=1/2R2*C1). Дифференцирующая цепочка R3C2 и элементы DD1.4...DD1.6 формируют в базе нормально закрытого транзистора VT1 импульс тока длительностью tимп = 10 мкс(tимп= R3*C2), возбуждающий включенный в его коллектор ИК диод VD1. В таблице 5 приведена зависимость амплитуды тока в ИК диоде Iимп и потребляемого генератором тока Iпотр от напряжения источника питания Uпит.
В качестве примера на рис. 5 приведена зависимость относительной мощности излучения ИК диода АЛ402 от прямого импульсного тока Iпр.и.
Рис. 4. Зависимость относительной мощности излучения от прямого импульсного тока
Рис.5. Генератор ИК импульсов
РЕЗУЛЬТАТЫИСПЫТАНИЙ
Приложение А
(обязательное)
Рисунок А.1 – часть схемы инфракрасного порта IrDA
Рисунок А.2 – часть схемы инфракрасного порта IrDA
Рисунок А.3 – Генератор ИК импульсов.