摘  要： 提出了采用以基于內核ARM920T的嵌入式微處理器S3C2440A為核心，以基于嵌入式Linux的ZHX1403為紅外收發器的紅外通信系統的設計方案。設計了紅外收發器在嵌入式Linux操作系統下的驅動程序，并給出了紅外通信系統應用的設計編程方法。
關鍵詞： 紅外通信；ARM920T；S3C2440A；Linux；ZHX1403

    目前，嵌入式系統已經進入了蓬勃發展的時代，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和通信業普遍支持的近距離無線數據傳輸規范。盡管通信距離只有幾米，卻有很多優勢：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、點對點高速數據連接，尤其適用于嵌入式系統。
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、半雙工紅外串行數據互聯標準、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鍵。
    IrDA就是一個點對點的協議，用在近距離進行異步串行傳輸。IrDA規范1.0定義了數據傳輸率最高到115.2 kb/s的紅外通信；規范1.1將數據傳輸率提高到4 Mb/s，并保持了對版本1.0產品的兼容； 規范1.2定義了最高速度為 115.2 kb/s下的低功耗選擇；規范1.3將這種低功耗選擇功能推廣到1.152 Mb/s和4 Mb/s[1]，規范1.4廢棄并替代了規范1.3，定義了最高速度為16 Mb/s下的低功耗選擇[2]。
2 紅外通信系統的總體方案
    基于ARM920T的紅外通信系統由軟、硬件兩部分組成。硬件部分包括基于ARM920T內核的微處理器S3C2440A及存儲器等硬件開發平臺和基于紅外收發器ZHX1403的紅外通信模塊兩部分；軟件部分包括紅外通信模塊驅動程序、紅外通信應用程序和嵌入式Linux操作系統三部分。
3 紅外通信系統的硬件設計
3.1 硬件開發平臺
    嵌入式系統硬件開發平臺采用S3C2440A為控制器。S3C2440A是32 bit RISC處理器，內嵌ARM920T核。它的低功耗，簡潔，美觀和全靜態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發送和64 B的FIFO接收)；(4)IIS音頻編解碼器接口；(5)內置看門狗定時電路及實時時鐘(RTC)；(6)內部集成兩路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架構的MMU支持WinCE、嵌入式Linux操作系統。
3.2 紅外通信模塊
    ZHX1403是ZiLOG公司出品的一款專用于PDA、網絡應用、醫療電子、手持式設備的紅外收發器，且與IrDA1.4協議標準兼容[4]。它支持所有紅外通信協議支持的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，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標準的收發器間的典型數據連接距離可達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接收數據輸出端口TXD與S3C2440A的GPH4/TXD1連接，ZHX1403發送數據輸入端口RXD與S3C2440A的GPH5/RXD1。掉電模式使能控制端SD與S3C2440A的GPB0/TOUT0連接，用來將內部的電路控制在關閉模式。ZHX1403把接收到的數據通過GPH5/RXD1傳送給S3C2440A，S3C2440A把預發送的數據通過GPH4/TXD1發送給ZHX1403的TXD端口，再通過紅外收發器發射管發送。

4 紅外通信系統的軟件設計
4.1 紅外通信協議的實現
    紅外數據通信標準包括基本協議和特定應用領域的協議兩類。類似于TCP-IP協議，它是一個層式結構，其結構形成一個棧，如表1所示[5]。

    其中有3個基本的規范和協議，即為必要協議：(1)紅外物理層協議 IrPHY(Infrared Physical Layer)；(2)紅外連接訪問協議層 IrLAP(Infrared Link Access Protocol)；(3)紅外連接管理協議層 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議的范圍，負責對鏈接進行設置、管理和維護。
    在IrLMP協議上層的協議都屬于可選的紅外數據通信協議，可用于特定應用領域的規范和協議：(1)流傳輸協議（TinyTP）；(2)對象交換協議（IrOBEX）；(3)模擬串口層協議（IrCOMM）；(4)局域網訪問協議（IrLAN）；(5)信息訪問服務協議（IAS）。
    驅動部分是協議棧的最主要部分，包括了IrLAP、IrLMP、TinyTP、IAS、IrOBEX、IrCOMM和IrLAN等協議。IrLAP、IrLMP是兩個必選的軟件協議。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、創建連接、數據交換、接觸連接和鏈路關閉，并且規定了紅外數據包的幀結構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據鏈路管理。TinyTP對數據傳輸進行流控制。IAS提供一個設備所擁有的相關服務檢索表。IrOBEX提供文件和其他數據對象的交換服務。IrCOMM使當前的應用能夠在IrDA平臺上使用串、并口通信，而不必進行轉換。IrLAN能為筆記本電腦和其他設備開啟IR局域網通道[6]。
    整個紅外協議棧比較龐大，在嵌入式系統中，由于微處理器的速度和存儲器容量的限制，沒有必要實現整個紅外協議棧，可以將協議棧簡化，根據實際需求，有選擇地實現自己需要的協議和功能[7]。
4.2 紅外通信模塊驅動程序的設計
    (1)初始化
    IrDA不是單純的串口物理通信規范，而是一種網絡傳輸控制標準。在Linux操作系統下，紅外通信是作為一類特殊的網絡設備來支持的。Linux必須按網絡設備驅動方法來組織紅外數據的網絡傳輸。在linux/net/irda中有紅外設備的代碼。可以用下面的函數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)；
    }
    當內核啟動或加載網絡驅動模塊的時候，就會調用初始化過程。首先檢測網絡物理設備是否存在，通過檢測系統中的紅外串行接口完成，然后初始化與紅外相關的寄存器，隨后構造設備的device數據結構，用檢測到的數值對device中的變量初始化。最后向Linux內核中注冊該設備并申請內存空間。
    (2)數據包的發送和接收
    數據包的發送和接收是實現嵌入式Linux操作系統下紅外驅動程序中兩個最關鍵的過程[8]。首先在網絡設備驅動加載時，通過device域中的init函數指針調用紅外設備的初始化函數對設備進行初始化。初始化成功后可以通過調用紅外設備的打開函數打開設備，申請紅外中斷，啟動隊列。數據包的發送通過調用s3c2440_irda_hard_xmit函數，禁止接收，關閉中斷，將上層交付的數據幀放入到低層驅動的緩沖區中。進入發送模式，允許發送中斷，在中斷服務時把底層驅動緩沖區中的數據發送到紅外接口。
    數據包的接收通過中斷來完成。當有數據到達時，就會產生中斷信號，紅外設備驅動功能層就調用接收中斷處理程序，讀取URXH（串口接收緩沖寄存器）中的數據。
4.3 紅外通信程序設計
    應用層的網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，每一種協議都有自己的網絡地址數據結構，均以sockaddr_開頭。Linux內核在af_irda.c文件中實現了IrDA套接字。定義紅外套接字如下：
    struct sockaddr_irda{
    sa_family_t sir_family;//協議類型，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關閉連接。
    本文在以基于ARM920T內核的微處理器S3C2440A為核心的嵌入式開發平臺上詳細介紹了嵌入式Linux操作系統下紅外通信系統的設計和實現過程。通過對照硬件規范，可以實現嵌入式Linux操作系統下將紅外協議移植到特定的嵌入式系統中。在嵌入式Linux操作系統下紅外通信系統的開發對今后的嵌入式系統的應用研究具有較強的實用性，使紅外技術能在嵌入式系統中得到廣泛的應用。
參考文獻
[1] 張曉紅，SASDAT S，喬為民，等.紅外通信IrDA標準與應用[J].光電子技術，2003，23(4)：261-265.
[2] Infrared Data Association(IrDA).Infrared Data Association Serial Infrared Physical Layer Specification,Version1.4[EB/OL].[2005-5-30].http://www.irda.org/standards/specifications.asp.
[3] S3C2440A 32-BIT CMOS Microcontraller User’s Manual[R].Samsung Electronics，2004.
[4] ZHX1403 SIR UltraSlim transceiver product specification[R].ZiLOG Worldwide Headquarters，2002.
[5] 葉輝.紅外通訊協議在嵌入式系統中的實現[J].電子技術應用，2004，30(7)：68-71.
[6] 邱磊，肖兵.基于IrDA協議棧的紅外通信綜述[J].無線通信技術，2004，13(4)：28-32.
[7] 陳祖爵，王繼鳳，王加民.基于嵌入式Linux的紅外通信系統設計[J].計算機工程與設計，2009，30(4)：816-818，854.
[8] 周亦敏，佟國香.基于Linux的紅外網絡通信的實現[J].
     儀器儀表學報，2005(Z2)：478-481.