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基于IrDA的短距离交通应用光通信设计

时间:2003-08-01 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:
一、短距离光通信的概念
光通信是指以光(红外、可见光等)为传输媒介的通信。短程光通信可以说是短程通信与光通信的交集。现阶段对短程光通信没有严格的定义,从几厘米到几百米范围内的光通信都可以称为短程光通信。若进一步细分又可以分为两类:
1、通信距离为厘米数量级,如从几厘米到几十厘米,典型应用为并行光互联(Parallel Optical Interconnect),即以光纤取代传统的电信号的总线结构,作为芯片间(chip to chip)或板间(board to board)的信息通路,用以克服传统电信号总线结构的瓶颈效应。
2、通信距离为米数量级,如从1米到几百米,典型应用为以塑料光纤取代传统的双绞线构成光纤局域网,以及依靠光波在空间传播取代原有电缆媒介的红外线短距离通信应用,如笔记本电脑、掌上电脑等。
3、小区楼宇之间的大气光通信,几十米到约1km。
在交通信息服务应用领域,无线通信可以采用无线电波或红外光作为传输媒体。在无线通信中,无线电和红外光是互相补充的两种传输媒介 ,它们适用于不同场合。无线电适合用户流动性大、要求传输信号能通过障碍物(如墙壁)进行长距离传输而发射功耗又能做到很小的场合。

二、 IrDA短程光通信协议
短程光通信在信息产业(IT)应用领域,IrDA发展迅速并比较成熟,已在很多设备上得到普遍应用,但它是点对点的协议,而且目前的通信距离较小(几米以内)。IrDA物理层和数据链路层并不适合直接用于BEACON技术,但它比较成熟,进行仔细分析有助于适合BEACON的光通信技术开发。
另外在ITS领域,红外DSRC通信也得到一定程度发展。但由于微波DSRC发展更成熟,所以红外DSRC的应用受到一定程度的抑制。相反,红外中远距离通信(CALM)技术的发展则更迅速。

(1)  IrDA协议框架
IrDA是一种利用红外光进行短距离点对点通信的技术。推动这种技术发展的是红外数据协会( IrDA,Infrared Data Association),它为短距离红外无线数据通信制定了一系列开放的协议与标准。IrDA规范化标准有两种版本,IrDA的1.0版本提供了最高为115.2kb/s的通信速率;1.1版本把最高速率扩展到4Mb/s,同时保持了与1.0版本的兼容性。在IrDA中,物理层(The Physical Layer)、链路接入协议(Ir LAP)、链路管理协议(Ir LMP)是必需的三个协议层,参见图1。
IrDA协议也是以协议栈的形式出现的。来自高层应用的数据通过协议栈逐层向下传递,最终以红外光脉冲形式传输,最低层是物理层。除了物理层外,Ir LAP和Ir LMP是两个必选的软件协议。物理层上面的一层为链路接入协议层(Ir LAP),它是HDLC(半双工链路控制)协议的红外适配协议层。该层主要负责链路初始化、设备地址发现、解决设备接入冲突、创建连接、数据交换、解除连接和关闭链路等。同时,Ir LAP还规定了红外数据包的帧结构以及红外通信的检错方法。 Ir LAP的上一层是Ir LMP,在Ir LAP提供了链路连接后,链路的功能和应用被Ir LMP层所管理。Ir LMP对连接的设备所提供的服务进行评估,并提供诸如数据速率、帧头(BOF)数目和链路转换时间等参数的规定。此外Ir LMP还负责管理数据和信息的纠错传输。

(2) IrDA物理层规范与指标
IrDA物理层规定了IrDA红外设备的参数及连接规范,主要包括通信速率、数据的调制方式、红外收发器的峰值波长、视角、发光强度、接收灵敏度、抗背景光噪声的能力等内容。具体包括IrDA物理层要保证距离为0~1m、轴偏角为0°~15°的无错通信,以及保证在环境光(主要包括日光、荧光和白炽光)噪声的影响下正常通信。发送器的光强和接收器的灵敏度规范保证在0~1m内链路能正常工作。接收器的灵敏度保证最小强度的发射光也能在1m处被感知 ,而最大强度发射光在0m处并不使接收器过饱和。具体的IrDA物理层主要参数可以参见表1。

参数名称 单位 最小值 最大值
峰值波长 Μm 0.85 0.9
最大发光强度 mW/Sr 500
最小发光强度  mW/Sr                           40(115.2 kbps或更低)
100(大于115.2 kbps)
发射半功率角 degree ±15 
接收半功率角 degree ±15
最大接收光强度 mW/cm2                             500
最小接收光强度 μW/cm2    40(115.2 kbps或更低)
100(大于115.2 kbps)
最大通信距离 M 1
最小通信距离 M 0
误码率

表1、IrDA物理层主要参数

IrDA物理层另一重要参数为通信速率。IrDA按通信速率可分为三类:SIR、MIR与FIR。串行红外(SIR)的速率覆盖了RS-232通常所支持的速率(如9600bps、19.2kbps、38.4kbps、57.6kbps等;最高为115.2kbps),MIR指0.576Mbps与1.152Mbps的速率。高速红外(FIR)通常用于指4Mbps的速率,有时也指高于SIR的所有速率。但是不论速率如何,IrDA规范要求通信链路总是以 9.6kbps的速率开始连接,如果通信双方支持,则可以约定以更高速率通信。随着IrDA技术的发展,其通信速率也不断提高,IrDA即将推出16Mbps的甚高速红外(VFIR)标准。红外通信的作用距离也将从1m扩展到几十米。

(3) 红外DSRC通信协议
CEN TC278 WG9的DSRC在物理层应用850nm红外的标准草案,论述了光发送模块设计中的一些参数考虑。
由于公认的DSRC通信范围在20米内,因此短距离交通通信应用中若采用红外技术,就需要认真参考如何实现上述技术指标。

三、基于IrDA的短距离通信设计
(1)  IrDA物理层的实现
IrDA标准中串行红外(SIR)覆盖了RS-232接口通常所支持的速率(如9600bps、19.2kbps、38.4kbps、57.6kbps),其最高速率可以达到115.2kbps,因此可以利用IrDA实现短距离无线红外通信。 
RS-232电平到TTL电平转换芯片采用MAXIM公司的MAX232E,MAX232E采用单电源+5v供电,只需外接4个1μF的电容即可实现RS-232电平到TTL电平的转换。电路原理图参见图3-5所示。
 编解码芯片采用Agilent公司的HSDL-7001芯片,HSDL-7001芯片实现SIR的RZI(归零反转)的3/16调制(编码),它具有可编程的波特率,可以支持绝大多数RS-232串口速率。具体电路原理图参见图4所示。
考虑到为了较好的与编解码芯片配合工作,红外IrDA收发器采用Agilent公司的HSDL-3610收发模块。HSDL-3610收发模块全兼容IrDA1.0协议,具有可编程光功率输出功能,典型通信距离为1.5m,支持掉电节省功耗模式等优点。具体电路原理图参见图5所示。
上面所述的电路虽然实现通信距离可达2m,但用于交通信息发送则可能要求通信距离更远,利用以下方法可以增加通信距离。
1. 增大红外收发器中LED的驱动电流,即减小图七中电阻R1的阻值,但要注意LED的驱动电流不能超过其极限最大值,对于HSDL-3610为600mA。
2. 把单管红外发射LED(如HSDL-4230)与红外收发器中的LED串联或并联使用,如图3-8所示,单管红外发射LED(HSDL-4230)与红外收发器(HSDL-1001)中的内置LED串联使用,从而总的发送光功率,通信链路长度的增加正比于光功率增加值的的平方根。
当然,通过增大发送光功率实现提高系统通信距离是以增加系统功耗为代价的,若想既提高通信距离又降低系统功耗,只能通过提高接收器灵敏度的手段来实现,此外还可以适当减小光发送脉冲宽度(最小1.6μs),实现提高通信距离的同时减小系统功耗。
上面所述的电路可以实现IrDA1.0即串行红外SIR标准的物理层,对于4Mbps的FIR,传统的通用异步收发器UART已经不再适用了,取而代之的是Super I/O芯片(如支持HDLC的高速同步串行数据传输芯片)或专用的FIR编解码芯片。
此设计所达到的通信距离与CEN TC278 WG9的DSRC在物理层应用850nm红外的标准草案中要求的通信距离还相差很大,解决的办法是采用更大发光功率的LED,但同时存在较大的难度。

(2) 问题与难点
通过此方案所实现的光发送模块的参数还不能完全符合标准草案所推荐的参数值,譬如最大发光功率,主要问题在于难以找到合适的大功率发光管。
有两种方法可以增加发光功率,一是通过增加LED调制电流的方式;另一方法是增加LED的数量,可行的办法是增加工作电压VCC,如采用12V或更高,从而增加串联LED的数量,实现增大发光功率的目的。由于通信距离的增大值与发光功率增大值的平方根成正比,即发光功率增加4倍时,通信距离增加2倍,如果发光功率由1.7 W/sr增大到30W/sr,通信距离将由5 m增大到5*[(30/1.7)1/2]=21 m,可以满足标准草案推荐的参数。但显然实现难度也是比较大的。

四、红外IrDA与5.8GHz微波的比较优势
在DSRC物理层用IrDA红外光技术代替5.8GHz微波,具有如下优点:
1) 不受频率资源的限制,无须申请频率即可使用。
2) 光波频率高,因而对低频电磁干扰不敏感,抗干扰能力强。
3) 光波频带宽,因而可以大大提高系统的传输速率,从而为将来的ITS新业务如车辆无线Internet接入业务做好了准备。
4) 激光的方向性好,因而可以使路边设备的通信覆盖区得到有效的控制,从而更容易实现多车道收费。
5) 综合成本价将显著下降。
但是同时也要看到红外DSRC系统也有很多先天不足,例如红外光传透雾、雨等能力差;存在背景光噪声等。

本文是针对如何应用红外IrDA技术实现交通领域的短距离通信,由于目前交通领域的短距离通信需求还不是特别强烈,所以针对红外IrDA等多种通信方式的深入研究是值得的,能够为将来的发展奠定良好的基础。


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