Летом 1993 года компания Hewlett-Packard организовала общепромышленное совещание, чтобы обсудить будущее 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 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. В настоящей статье будут описаны основные моменты действующего ныне стандарта.
Итак, 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 (до 1 метра) 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).
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 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.
Сам порт IrDA 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. Для реализации инфракрасного интерфейса (кроме, естественно, самой схемы UART, которая реализует COM-порт), нужна микросхема приемопередатчика 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. Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP очень малого размера (5х7 mm).
Рассмотрим пример микросхемы, добавленной на иатеринскую плату. Блок UART, имеющийся на плате, можно использовать как для того, чтобы управлять проводным СОМ-портом интерфейса RS-232, используя, например, преобразователь напряжения МАХ562, так и для управления ИК-портом, соответствующим стандарту IrDA, используя трансивер CS8130. Внешний вывод PWRDN# микросхемы CS8130 используется для перевода в третье состояние линий RXD и FORM/BSY, что позволит использовать UART. И наоборот, с помощью выводов EN и SHDN# можно перевести в третье состояние выходы R2OUT и R3OUT микросхемы МАХ562, передавая управление UART трансиверу CS8130. В этом случае один последовательный порт заменяется инфракрасным. Для компьютеров, не имеющих реализации IrDA, существуют внешние приемопередатчики, которые можно подключить к имеющемуся СОМ-порту любого компьютера. Этот модуль (фото) очень компактен и расположен в конце метрового кабеля, свободно ориентируемого в пространстве.
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/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 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.
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, используемыми по умолчанию.
