高速紅外VFIR控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：根據(jù)IRDA紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4設(shè)計基于PCI總線的甚高速VFIR紅外控制器，詳細(xì)分析了控制器的硬件和軟件設(shè)計方法及實現(xiàn)過程。設(shè)計中使用PCI總線主控接口芯片S5933，實現(xiàn)復(fù)雜的PCI總線接口到相對簡單的用戶接口功能轉(zhuǎn)換；使用FPGA實現(xiàn)紅外控制器的傳輸控制和時序邏輯。

PCI（Peripheral Component Interconnect）局部總線[1]是一種高性能、32位或64位地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用的同步總線。它的用途是在高度集成的外設(shè)控制器件、擴(kuò)展卡和處理器/存儲器系統(tǒng)之間提供一種內(nèi)部的連接機(jī)構(gòu)，它規(guī)定了互連機(jī)構(gòu)的協(xié)議、機(jī)械以及設(shè)備配置空間。PCI局部總線因具有極小延遲時間、支持線性突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、兼容性能以及系統(tǒng)能進(jìn)行全自動配置等特點受到業(yè)界青睞。PCI總線規(guī)范2.1版本還定義了由32位數(shù)據(jù)總線擴(kuò)充為64位總線的方法，使總線寬度擴(kuò)展，并對32位和64位PCI局部總線外設(shè)做到向前和向后兼容。

目前微機(jī)之間的紅外通信是基于IRDA-1.1標(biāo)準(zhǔn)的紅外無線串行SIR通信，參考文獻(xiàn)[2]給出了基于ISA總線的紅外無線串行通信卡的設(shè)計及實現(xiàn)，該通信卡的數(shù)據(jù)速率為9.6kbps～115.2kbps，工作距離0～3m。但由于RS-232端口的最高數(shù)據(jù)速率上限為115.2kbps，不能滿足IRDA-1.4規(guī)范甚高速紅外VFIR 16Mbps速率要求，所以使用了PCI同步總線擴(kuò)展外設(shè)的方法設(shè)計甚高速紅外控制器。雖然ISA總線的傳輸速率能滿足甚高速紅外控制器設(shè)計要求，但目前許多微機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸淘汰ISA/EISA標(biāo)準(zhǔn)總線。原因是高速微處理器和低速ISA總線之間不同步，造成擴(kuò)展外設(shè)只能通過一個慢速且狹窄的瓶頸發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，使CPU高性能受到嚴(yán)重影響。

1 HHH（1,13）編解碼

2001年5月，紅外無線數(shù)據(jù)協(xié)會IRDA發(fā)布了紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4[4]；它與前期發(fā)布的物理層規(guī)范的主要區(qū)別在于增加甚高速紅外VFIR 16Mbps數(shù)據(jù)速率的編解碼技術(shù)和幀結(jié)構(gòu)，而其它如視角范圍、發(fā)射器最?。ù螅┕夤β屎?a target="_blank">接收器靈敏度等規(guī)范基于相同。紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4規(guī)定數(shù)據(jù)速率小于4Mbps采用RZI（歸零反轉(zhuǎn)）調(diào)制，最大脈沖寬度是位周期的3/16或1/4；數(shù)據(jù)速率4Mbps采用4PPM（脈沖位置調(diào)制）；數(shù)據(jù)速率16Mbps采用HHH（1,13）碼。

IRDA提出的VFIR編解碼技術(shù)-HHH（1,13）碼是碼率為2/3，（d,k）=(1,13)的RLL（run-length-limited）碼；它是一種功率消耗和頻帶利用率相對折中的高效編碼，其中參數(shù)d、k分別表示在兩個'1'之間最小和最大的'0'的數(shù)目，參數(shù)d決定接收信號中有無碼間干擾ISI，參數(shù)k決定接收器能否從接收序列中恢復(fù)時鐘。HHH(1,13)碼的帶寬效率使數(shù)據(jù)通信能夠選擇成本很低、上升/下降時間為19ns的LED。功率效率避免了LED的熱問題，它能保證1m距離范圍內(nèi)保持鏈接。1m距離16Mbps鏈路可達(dá)到過去4Mbps鏈路的驅(qū)動電流和功耗。HHH（1,13）碼和4PPM碼（用于4Mbps）的顯著區(qū)別是HHH(1,13)碼決不允許一個紅外脈沖緊跟前一個紅外脈沖，脈沖之間應(yīng)該保持一個chip時間差。由于光電管工作區(qū)域內(nèi)有少量載流子的慢輻射，使LED或光電二極光表現(xiàn)出拖尾效應(yīng)，HHH（1,13）碼能夠兼容拖尾效應(yīng)，從而允許在chip時間周期內(nèi)脈沖的擴(kuò)展。

雖然HHH（1,13）碼的設(shè)計過程比較復(fù)雜，但I(xiàn)RDA-1.4標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)詳細(xì)給出了編譯碼邏輯方程和電路，所以實現(xiàn)起來比較容易。筆者使用Altera MAX+plus II進(jìn)行邏輯功能仿真，并用GW48 EDA實驗系統(tǒng)進(jìn)行硬件偽真，驗證HHH（1,13）碼編譯碼電路設(shè)計的正確性。

2 甚高速紅外VFIR控制器的硬件設(shè)計

由于PCI總線規(guī)定了嚴(yán)格的電氣特性，開發(fā)PCI總線的應(yīng)用具有很大難度，因此使用AMCC（Applied Micro Corporation）公司推出的PCI接口控制器S5933實現(xiàn)紅外控制器PCI總線接口規(guī)范[5]。甚高速紅外VFIR控制器原理框圖如圖1所示。選用Altera公司的FLEX10K系列現(xiàn)場可編程門陣列器件實現(xiàn)S5933與紅外TX/RXFIFO、寄存器的傳輸控制和邏輯時序以及紅外接口控制邏輯和紅外收發(fā)器接口功能模塊（CRC校驗、編解碼以及串/并轉(zhuǎn)換）。甚高速紅外VFIR控制器工作原理如下：首先由AMCC S5933外部非易失性串行EEPROM AT24C02下載PCI配置空間，然后主機(jī)通過直通（PassThru）寄存器數(shù)據(jù)訪問方式向紅外接口控制寄存器寫控制命令[3]。紅外接口控制邏輯根據(jù)控制命令發(fā)出控制信號，使整個紅外控制器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)上層協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送事件時，紅外接口控制邏輯發(fā)出消息，通知主機(jī)啟動S5933總線主控讀操作，把上層數(shù)據(jù)寫到外部紅外TXFIFO數(shù)據(jù)緩沖器；同時紅外接口控制邏輯根據(jù)TXFIFO狀態(tài)把TXFIFO的數(shù)據(jù)發(fā)送到紅外收發(fā)器接口，進(jìn)行鎖存、并/串轉(zhuǎn)換、CRC校驗和編碼，最后通過VFIR收發(fā)器發(fā)送數(shù)據(jù)。同理VFIR收發(fā)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼、CRC校驗、串/并轉(zhuǎn)換和鎖存，寫入RXFIFO數(shù)據(jù)緩沖器。紅外接口控制邏輯觸發(fā)上層協(xié)議發(fā)出數(shù)據(jù)接收事件接收數(shù)據(jù)，主機(jī)啟動S5933總線主控寫操作向上層協(xié)議遞交數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成上層協(xié)議發(fā)回消息，通知數(shù)據(jù)接收完成。下面重點分析S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組訪問控制邏輯以及紅外接口控制邏輯和紅外接發(fā)器接口功能。

2.1 紅外TX/RXFIFO與紅外控制寄存器組控制邏輯

AMCC S5933支持3個物理總線接口：PCI總線接口、擴(kuò)充總線接口和非易失性EEPROM總線接口。非易失性EEPROM用于映射PCI的配置空間及設(shè)備BIOS的初始化；擴(kuò)充總線可以與外設(shè)設(shè)備互連。主機(jī)和外設(shè)之間可以利用S5933的郵箱寄存器、FIFO寄存器、直通寄存器（Pass-Thru）數(shù)據(jù)傳輸方式雙向傳輸數(shù)據(jù)。

紅外寄存器組包括紅外接口控制寄存器和狀態(tài)寄存器。本文中甚高速紅外控制利用S5933直通寄存器單周期數(shù)據(jù)傳送向紅外接口控制寄存器寫控制字，由Pass-Thru邏輯控制電路把地址和數(shù)據(jù)分離開，直通地址寄存器（APTA）經(jīng)374鎖存并譯碼，選通紅外接口控制寄存器，同時把直通數(shù)據(jù)寄存器（PTDA）的低字寫入紅外控制器；該接口控制寄存器的數(shù)據(jù)寬度為16位，包括紅外控制器始能、工作模式（UART、SIR、MIR、FIR、VFIR）的設(shè)置，接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的選擇以及滿足SIR模式下多波特率的分頻數(shù)。紅外接口控制寄存器結(jié)構(gòu)定義如圖2。

同理使用直通寄存器方式獲取紅外接口狀態(tài)寄存器的狀態(tài)。紅外接口狀態(tài)寄存器結(jié)構(gòu)定義如圖3。

    為滿足高速數(shù)據(jù)傳輸，利用S5933 FIFO寄存器總線主控方式下的同步猝發(fā)（Burst）操作（DMA傳送）完成主機(jī)與紅外TX/RXFIFO的數(shù)據(jù)傳輸。PCI接口首先初始化S5933作為總線主控設(shè)備，然后由PCI接口向主控讀/寫地址寄存器（MRAR/MWAR）寫入要訪問的PCI存儲空間地址，向主控讀/寫計數(shù)器（MRTC/MWTC）寫入要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。S5933提供了4個專用引腳RDFIFO#、WRFIFO#、RDEMPY#和WREULL#控制內(nèi)部FIFO與外部FIFO的數(shù)據(jù)傳輸接口邏輯。接收/發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)寬度都是32位，分別由4片8位數(shù)據(jù)總線的IDT72220 FFO數(shù)據(jù)位擴(kuò)展實現(xiàn)。該FIFO既為PCI接口提供數(shù)據(jù)緩沖，又為紅外收發(fā)器接口提供訪問數(shù)據(jù)。S5933與紅外TX/RXFIFO、紅外寄存器組的數(shù)據(jù)訪問控制邏輯如圖4。

2.2 紅外接口控制邏輯

根據(jù)紅外接口控制寄存器控制字，紅外接口控制邏輯實現(xiàn)外部RX/TXFIFO與紅外收發(fā)器接口之間的數(shù)據(jù)傳輸和邏輯時序。它的工作原理如下：根據(jù)控制字，首先啟動紅外收發(fā)器接口CRC校驗、編解碼器和可編程時鐘（RX/TXFIFO讀/寫時鐘RCLK、WCLK和編解碼時鐘fclock），然后根據(jù)控制字的TX/RX位決定是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)時，TXFIFO緩沖器不為空，TXFIFO的EF信號就觸發(fā)紅外接口控制邏輯發(fā)TXFIFO讀操作信號ENR#，讀取TXFIFO的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)寬度32位）傳給紅外收發(fā)器接口進(jìn)行CRC校驗、編碼以及并/串轉(zhuǎn)換。同理當(dāng)甚高速紅外控制器接收數(shù)據(jù)時，紅外收發(fā)器接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼、串/并轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)寬度32位），然后觸發(fā)紅外接口控制邏輯發(fā)出紅外接收FIFO的寫操作信號ENW#，把接收數(shù)據(jù)寫入紅外接收FIFO。當(dāng)RXFIFO寫滿后，觸發(fā)控制邏輯發(fā)出S5933 FIFO寫信號WRFIFO#，上層協(xié)議啟動PCI接口初始化S5933為同步主控寫操作實現(xiàn)紅外接收FIFO到主機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳畀。另外紅外接口邏輯還實現(xiàn)紅外接口狀態(tài)寄存器狀態(tài)的配置，以方便上層協(xié)議了解紅外控制器工作狀態(tài)。

2.3 紅外收發(fā)器接口

紅外收發(fā)器接口的設(shè)計與實現(xiàn)是紅外控制器成功的關(guān)鍵。該接口需要實現(xiàn)各種工作模式（SIR、MIR、FIR、VFIR）的編解碼器和硬件CRC校驗、設(shè)計比較復(fù)雜。編碼器前、譯碼器后，數(shù)據(jù)都要進(jìn)行硬件CRC校驗實現(xiàn)差錯控制。SIR模式采用RZI（歸零反轉(zhuǎn)）編碼，信號為高電平，調(diào)制為低電平；信號為低電平，調(diào)制為高電平脈沖，最大脈沖寬度是位周期的3/16。MIR模式也采用RZI（歸零反轉(zhuǎn)）編碼，但最大脈沖寬度是位周期的1/4。FIR模式采用4PPM（脈沖位置調(diào)制）調(diào)制，它的原理是被編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流每兩位組合成一個數(shù)據(jù)碼元組（DBP），其占用時間Dt=500ns，再將該數(shù)據(jù)碼元組（DBP）分為4個125ns的時隙（chip），根據(jù)碼元組的狀態(tài)，在不同的時隙放置單脈沖。由于PPM通信依賴信號光脈沖在時間上的位置傳輸信息，所以解調(diào)時先保證收發(fā)雙方時隙同步、幀同步，然后根據(jù)脈沖在500ns周期中的位置解調(diào)出發(fā)送數(shù)據(jù)。考慮到紅外收發(fā)器通信距離突然變化引發(fā)脈沖寬度擴(kuò)展，發(fā)生碼間干擾，導(dǎo)致譯碼出錯，因此根據(jù)Hiroshi Uno提出的新算法[7]簡化4PPM譯碼過程，并通過實驗驗證該算法比最大似然譯碼算法結(jié)構(gòu)更簡單，功耗更低，而且更容易實現(xiàn)。

VFIR模式采用HHH（1，13）編解碼技術(shù)。編碼器原理：為了正確實現(xiàn)編碼，要求在計算內(nèi)部碼字C=(c1,c2,c3)之前，在nT(T表示一個chip時間)時刻到達(dá)編碼器輸入端的輸入數(shù)據(jù)碼元組d=(d1,d2)經(jīng)過3個編碼周期（每個編碼周期是3T）的延時后進(jìn)行邏輯計算，得到下一狀態(tài)矢量值N=(s1,s2,s3)，即與輸入數(shù)據(jù)有關(guān)的N出現(xiàn)在（n+9T）時刻；再經(jīng)過一個編碼周期，即（n+12T）時刻，狀態(tài)N賦給內(nèi)部狀態(tài)矢量S=(s1,s2,s3)，同時計算與輸入數(shù)據(jù)碼元組d=(d1,d2)有關(guān)的內(nèi)部碼字矢量C=(c1,c2,c3)，再經(jīng)過一個編碼周期，內(nèi)部碼字C賦給輸出碼字矢量Y=(y1,y2,y3)。由此可見16Mbps的數(shù)據(jù)速率經(jīng)過編碼器變?yōu)?4Mchip/s編碼速率，整個編碼過程延時5個編碼周期即15個chip。注意編碼器初始狀態(tài)S應(yīng)設(shè)置為（1，0，0）。譯碼器原理：輸入數(shù)據(jù)R=(r1,r2,r3)經(jīng)過鎖存器延時得到矢量Y4=(y10,y11,y12)，對Y4進(jìn)行不同的延時得到Y(jié)3、Y2及Y1。這里矢量Yi是Y4的4-I次延時（由鎖存器實現(xiàn)延時）；對Y4進(jìn)行或非運算得到Zd，再將Zd進(jìn)行不同的延時得到Zc和Zb。這里Zc、Zb、Zd是變量，然后將Y4、Y3、Y2、Y1、Zb、Zc、Zd進(jìn)行邏輯運算、延時分別得到矢量X1=(x1,x2)、X2=(x3,x4)、X3=(x5,x6)；最后將x1、x2經(jīng)過鎖存器得到譯碼器輸出矢量值U=(u1,u2)。整個譯碼過程延時4個周期即12個chip?？梢奌HH（1,13）編譯碼電路比較簡單，利用FPGA基于門級描述即可實現(xiàn)，但必須注意鎖存器時鐘fclock=1/3fchip。VFIR模式增加線性反饋移位寄存器（LFSR）實現(xiàn)加擾和解擾功能提高系統(tǒng)性能，減少誤碼。

圖4 S5933與紅外接收/發(fā)送FIFO，紅外寄存器組數(shù)據(jù)訪問控制邏輯圖

3 甚高速紅外VFIR控制器的軟件設(shè)計

控制器軟件主要分為三部分：系統(tǒng)初始化部分、接收部分、發(fā)送部分。系統(tǒng)初始化首先調(diào)用BIOS 1Ah中斷功能獲取設(shè)備PCI總線號、功能號、內(nèi)存、I/O空間基地址和空間大小以及中斷號，然后通過直通（Pass-Thrn）方式寫控制命令初始化紅外控制器，選擇控制器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)置控制器工作模式和波特率分頻數(shù)并允許控制器工作。紅外控制器具有收發(fā)雙向數(shù)據(jù)傳輸能力。編程時將S5933FIFO設(shè)置成由PCI接口初始化為同步主控方式，支持突發(fā)傳輸（DMA）；然后根據(jù)控制器收/發(fā)位判斷PCI總線主控讀還是主控寫操作。程序采用中斷控制，主程序調(diào)用set_up_pci_busmaster()初始化主控操作，該函數(shù)不僅裝載訪問內(nèi)存實際地址和傳輸字節(jié)數(shù)，而且還要允許讀/寫傳輸字節(jié)數(shù)到零中斷。紅外控制器初始化完成后，系統(tǒng)等待中斷。中斷服務(wù)處理程序讀取S5933中斷狀態(tài)/控制寄存器INTCSR判斷中斷源，并清除中斷標(biāo)志；讀取CRC校驗狀態(tài)位，判斷接收數(shù)據(jù)是否正確。發(fā)送數(shù)據(jù)時，中斷服務(wù)處理程序還要檢測紅外發(fā)送FIFO狀態(tài)位是否為1（1表示FIFO為空），不為1置發(fā)送不為發(fā)空標(biāo)志tx_not_empty=1，主程序繼續(xù)等待，直到TXFIFO數(shù)據(jù)為空；同理接收數(shù)據(jù)也需要檢測紅外接口狀態(tài)寄存器的紅色接收FIFO狀態(tài)位是否為1（測試位為1表示FIFO為空）。這樣可保證接收和發(fā)送FIFO的數(shù)據(jù)完全被取走。編寫的應(yīng)用程序使用Turbo C2.0調(diào)試通過。

PCI總線已經(jīng)成為當(dāng)今電腦的主流總線，為此根據(jù)紅外串行物理層規(guī)范IRDA-1.4設(shè)計基本PCI總線的甚高速紅外VFIR控制器。使用AMCC公司PCI總線專用控制器外加部分接口控制電路實現(xiàn)VFIR控制器硬件設(shè)計，縮短開發(fā)周期、提高效率、節(jié)約成本。目前正在使用VtoolsD開發(fā)虛擬驅(qū)動程序，解決系統(tǒng)如何分配紅外控制器配置資源、如何訪問硬件設(shè)備、如何處理硬件中斷和總線主控DMA操作以及VXD和應(yīng)用程序之間的通信。另外國外已有公司推出VFIR紅外控制器專用芯片，如MKNET公司的MK7100。