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微型計算機原理課程設計 李煥富 1100331微型計算機原理課程設計報告摘要：重點研究微型計算機的短距離紅外無線通信技術，設計紅外接口和數(shù)字錄音接口電路，編寫應用程序，實現(xiàn)文本、圖形和語音數(shù)據(jù)的紅外無線傳輸。1 設計任務及要求（1）微機紅外接口的設計與調(diào)試 在異步串行通信接口芯片8250的基礎上，按照IRDA物理層協(xié)議，采用RZI(反相歸零)調(diào)制方法，設計一個紅外接口，其中的脈沖調(diào)制發(fā)射電路，將串行數(shù)字信號轉換為紅外光脈沖，其中的脈沖解調(diào)接收電路，將紅外廣脈沖轉換為串行數(shù)字信號，再通過編程實現(xiàn)雙機短距離無線通信。（2）微機文件數(shù)據(jù)的紅外無線傳輸 先編程實現(xiàn)文本和圖形文件的讀出（顯示）和保存；再通過紅外接口編程實現(xiàn)文本和圖形文件的短距離無線發(fā)送和無線接收。（3）微機語音數(shù)據(jù)的紅外無線傳輸 設計并調(diào)試一個數(shù)字錄音接口電路，其中包括A/D轉換電路和D/A轉換電路，先編程實現(xiàn)語音信號的輸入和保存和讀出回放，再通過紅外接口編程實現(xiàn)語音信號的短距離無線發(fā)送和無線接收，并且回放出聲音。2 方法論證目前微型計算機的短距離聯(lián)接大都還是有線（電纜）聯(lián)接，微機之間以及微機與外設之間的聯(lián)線往往造成麻煩。個人通信是人類通信的最高目標，其目的是實現(xiàn)任何人（Whoever）在任何時間（When ever）、任何地點（Wherever），能夠向任何其他人（Whomever）傳送任何信息（Whatever）的通信（即5W）。為此，就要充分利用現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡和技術，根據(jù)業(yè)務不同的特點選擇不同的網(wǎng)絡。在近距離室內(nèi)通信中，藍牙技術和紅外無線接入技術使無線通信變得十分容易，將計算機技術與通信技術更緊密地結合在一起，人們可以隨時隨地進行信息的交換與傳輸。正是因為如此藍牙技術和紅外無線接入技術受到了極大的重視，得到廣泛的應用。短距離聯(lián)接到發(fā)展必然要走向無線聯(lián)接，目前主要的短距離無線聯(lián)接技術有紅外通信技術和藍牙通信技術，前者采用紅外線，后者則采用無線電波作為信息傳輸?shù)拿浇椤＿@兩種技術各有所長。紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.75um至25um之間。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力差，所以更適合于應用在需要短距離無線通信的場合，進行點對點的直線數(shù)據(jù)傳輸。3 兩種技術的標準化進程(1)藍牙技術標準化進程藍牙無線通信技術作為一個技術規(guī)范出現(xiàn)的，該規(guī)范由愛立信公司于1994年提出是藍牙特別興趣小組（Bluetooth SpecialInterest Group，SIG）中許多公司合作的結果。SIG于1999年7月頒布了藍牙技術的第一個完整的規(guī)范，即規(guī)范的版本10，該版本卷1是核心規(guī)范，卷2是協(xié)議子集。由于版本10推遲了一些重要應用模式的開發(fā)，隨著藍牙技術的發(fā)展和版本10的產(chǎn)品化，不斷涌現(xiàn)出大量的新想法，2000年，在愛立信和諾基亞的領導下，成立了制定版本20的工作小組，在版本10的基礎上提高數(shù)據(jù)速率、改善基帶功能及支持漫游切換等。目前制定工作尚未完畢，這里以版本10為藍牙標準。(2)紅外無線接入技術標準化進程紅外無線接入技術是以紅外線作為通信媒質(zhì)的特定應用，也是一個技術規(guī)范。相比之下，紅外無線技術比藍牙技術更加成熟，其標準化進程相對要早了許多，最早是1979年IBM公司的FRGfeller發(fā)表了一篇較有影響的關于室內(nèi)紅外無線通信設計與實驗的論文，引起業(yè)界的關注，1993年，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）制定了第一個標準稱之為IrDA10，這比藍牙技術的第一個規(guī)范要早6年時間，在藍牙規(guī)范第一次發(fā)布之時，紅外無線技術已經(jīng)廣泛應用。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會又于1995組織、制定了新的規(guī)范，IrDA11，它允許數(shù)據(jù)傳輸速率達到4Mbps。這里以版本IrDA11為標準。4、兩種技術特點的介紹(1)藍牙技術藍牙是一種開放的技術規(guī)范，其目的是為了在世界上任何一個地方，實現(xiàn)短距離無線語音、視頻和數(shù)據(jù)通信。具體特點如下： （1）使用24GHz的ISM公用頻段，可不必申請專用許可證； （2）以時分雙工進行全雙工通信，理想通信距離為10厘米到10米，配置功率放大器可使通信距離進一步增加； （3）采用快跳頻、短分組和前向糾錯技術，可有效降低干擾，提高通信的安全性； （4）采用FM調(diào)制方式，使設備變得更加簡單可靠，使終端更加輕便； （5）業(yè)務分配靈活，可以支持一個異步數(shù)據(jù)通道，或者3個并發(fā)的同步語音通道，或者一個同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音的通道； （6）每一話音通道可支持速率64kbps的同步話音，異步通道可支持前向速率721kbps，反向速率576kbps的非對稱連接，或者速率4326kbps的對稱連接。其單向最高數(shù)據(jù)傳輸速率目前可達2Mbps。(7)藍牙系統(tǒng)支持點對點以及點對多點通信。幾個相互獨立、以特定方式連接在一起的微微網(wǎng)構成分布式網(wǎng)絡，各微微網(wǎng)由不同的跳頻序列來區(qū)分。在同一微微網(wǎng)中，所有的用戶均用同一跳頻序列同步。拓撲結構如圖1所示。 圖1 分布式網(wǎng)絡 (2)紅外無線接入技術紅外無線接入技術是以紅外線作為通信媒質(zhì)的特定應用。其工作頻段為34093.529 105GHz，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會制定了一種標準的紅外通信方法。這種方法包括通常用在移動電話、筆記本電腦和掌上電腦中。IrDA也是被設計用于短距離、低功率、無許可證的通信。 IrDA也定義了物理層和實現(xiàn)互操作通信的軟件協(xié)議棧。其具體特點如下： （1）工作在850880nm的紅外波段，發(fā)射器信號強度為10mW左右，有效范圍為30度，接收器可探測4500Wcm2的光信號，有效范圍為30度錐角； （2）采用半雙工技術，通信距離1m左右； （3）其信源編碼技術主要采用脈沖位置調(diào)制（PPM）； （4）鏈路接入?yún)f(xié)議與半雙工鏈路控制協(xié)議類似，提供3種數(shù)據(jù)幀，U幀用于建立或去除連接，I信息幀，S幀用于數(shù)據(jù)傳輸控制； （5）鏈路管理協(xié)議用于維護打印、傳真、調(diào)制解調(diào)以及發(fā)現(xiàn)碰撞、鏈路管理等功能。5、兩種技術特點的比較 藍牙技術和紅外無線接入技術都是短距離的無線接入技術，而且都能實現(xiàn)安全、可靠、低功耗、低成本的話音，數(shù)據(jù)及視頻的傳輸。雖然都是無線接入技術，但是由于兩種技術采用的電磁波頻段不同，因此具有完全不同的信號傳播特性。這也導致了兩種技術在特點上的差異。6、紅外通信的基本原理目前計算機領域廣泛采用IRDA（Infrared Date Association）協(xié)議作為無線傳輸標準。IRDA標準包括三個基本的規(guī)范和協(xié)議：物理層規(guī)范，連接建立協(xié)議和連接管理協(xié)議。其中物理層規(guī)范制定了紅外通信硬件設計上的目標和要求， IRDA物理層協(xié)議提出了對工作距離、工作角度（視角）、光功率、數(shù)據(jù)速率不同品牌設備互聯(lián)時抗干擾能力的建議。當前紅外通信距離最長為3米，接收角度大于30度。圖1給出了IRDA物理層的方框圖。數(shù)據(jù)速率小于4Mb/s時，使用RZI（歸零反轉）調(diào)制；而在4Mb/s的數(shù)據(jù)速率時，使用4PPM（脈沖位置）調(diào)制。IRDA要求的RZI（反向歸零）調(diào)制度編碼效果如圖2中的IR幀數(shù)據(jù)所示，最大脈沖寬度是3/16位寬或1.6us寬（1.6us是最高位速率115.2kbps的位寬的3/16）。邏輯0由一個光脈沖代表，0位的開始對應脈沖的上升沿，而邏輯1由無光脈沖代表。I 傳統(tǒng)的方法采用RS-232口進行通信，傳輸速率十分國有限，難以對告訴、批量的數(shù)據(jù)進行快速響應。隨著通用串行總線（USB）技術的不斷完善，采用USB接口來替換RS-232就看，從而使上述問題得以有效解決。USB是種應用在PC領域的新型總線接口技術，由Intel、Microsoft、NEC等公司共同提出。這是一種新規(guī)格的外接串行口，提出該規(guī)格的廠商希望用USB來取代現(xiàn)有的外接設備接口，它還具有連接單一化、軟件自動偵測以及熱插拔的功能，即插即用。它具有如下特點：使用方便、速度更快（最新的2.0版本已經(jīng)達到480Mbps）、獨立供電等。但由于USB的驅動程序屬于WDM型。WDM（Windows Driver Model），即Windows驅動程序模型，開發(fā)較為麻煩，故仍然采用傳統(tǒng)的RS-232口進行通信。傳統(tǒng)方式的PC端涉及的通信軟件一般采用8086匯編語言或C語言提供的端口讀寫語句來實現(xiàn)。在Windows環(huán)境下， VB和VC可以很方便地調(diào)用MSComm（MicrosoftCommunicationControl）控件，它提供了事件驅動和查詢兩種方法。在事件驅動法中，每當有新字符到達端口，MSComm控件將出發(fā)OnComm時間。這樣，應用程序可以通過檢查MSComm控件的CommEvent屬性采取響應當操作，他累死于匯編語言中的中斷方式；較小的應用程序可以采用查詢發(fā)，也就是應用程序不斷檢查MSComm的CommEvent屬性并采取響應當操作，它類似于匯編中的查詢法。在本設計中采用MASM32開發(fā)通信軟件，他可以很方便地調(diào)用WINDOWS API和插入?yún)R編語言。可方便地開發(fā)出界面友好的GUI圖形界面。7 設計過程與步驟1、編一簡單程序使8250A重復送出同一字符代碼。2、通過示波器管程8250A的有關輸出信號。3、設計并鏈接紅外接口脈沖調(diào)制發(fā)射電路。4、 改變字符代碼，5、 調(diào)試紅外接口脈沖調(diào)制發(fā)射電路。6、設計并連接紅外接口脈沖調(diào)制接收電路。7 改變字符代碼，8、調(diào)試紅外接口脈沖解調(diào)接收電路。9、 編程實現(xiàn)單機自發(fā)自收，10鍵盤字符，接受后顯示出來。11編程實現(xiàn)雙機無線通信，一機鍵盤字符在另一機屏幕顯示出來。（二）微機文件數(shù)據(jù)的紅外無線傳輸1、編程實現(xiàn)文本文件的讀出（顯示）和保存。2、編程實現(xiàn)圖形文件的讀出（顯示）和保存。3、將文本文件讀出（顯示），通過紅外接口發(fā)送給另一機。4、通過紅外接口接受文本數(shù)據(jù)，顯示并保存。5、將圖形文件讀出（顯示），通過紅外接口發(fā)送給另一機。6、通過紅外接口接受圖形數(shù)據(jù)，顯示并保存。（三）微機語音數(shù)據(jù)的紅外無線傳輸1、設計并調(diào)試數(shù)字錄音A/D轉換接口電路。2、設計并調(diào)試數(shù)字錄音D/A轉換接口電路。3、將語音信號通過數(shù)字錄音接口電路輸入并保存為文件。4、將語音數(shù)據(jù)通過數(shù)字錄音接口電路回放為聲音。5、將語音信號輸入冰通過紅外接口發(fā)送給另一機。6、通過紅外接口接收語音數(shù)據(jù)并回放為聲音。8 系統(tǒng)硬件設計(1)紅外發(fā)射電路 （2）紅外接收電路（3）錄音機電路9 軟件開發(fā)(1)8250初始化程序 mov dx,283h mov al,80h out dx,al mov dx,280h mov al,12 out dx,al mov dx,281h mov al,0 out dx,al mov dx,283h mov al,0bh out dx,al (2)字符發(fā)送和接收程序發(fā)送程序：invoke GetWindowText,hEdit1,ADDR mybuffer1,256mov ecx,eax mov esi,offset mybuffer1 chck: mov dx,285h in al,dx test al,20h jz chck mov dx,280h lodsb out dx,al loop chck mov al,1bh out dx,al 接收程序： mov edi,offset mybuffer2 rec: mov dx,285h in al,dx test al,01h jnz rcv jmp rec rcv: mov dx,280h in al,dx cmp al,1bh jz over stosb jmp rec invoke SetWindowText,hEdit2,ADDR mybuffer2 over:（3）文本文件發(fā)送和接收程序文本文件的發(fā)送程序只要將字符發(fā)送程序中hEdit1改為hEdit，同時將字符接收程序中的hEdit2改為hEdit。（4）錄音和放音程序錄音程序：lu proc ;錄音子程序mov edi,offset data_qu ;置數(shù)據(jù)區(qū)首地址為DImov cx,60000 ;錄60000個數(shù)據(jù)cldxunhuan:mov dx,luport ;啟動A/Dout dx,alcall delay ;延時in al,dx ;從A/D讀數(shù)據(jù)到ALstosb ;存入數(shù)據(jù)區(qū),使DI加1loop xunhuan ;循環(huán)ret ;子程序返回lu endp放音程序：fang proc ;放音子程序 mov cx,60000 ;放60000個數(shù)據(jù) mov esi,offset data_qu ;置數(shù)據(jù)區(qū)首地址為SI cldfang_yin: mov dx,fangport lodsb ;從數(shù)據(jù)區(qū)取出數(shù)據(jù) sub al,30h out dx,al ;放音 call delay ;延時 loop fang_yin ;循環(huán) ret ;子程序返回fang endpdelayprocnear ;延時子程序push dxmoval,10h ;設8253通道0工作方式0movdx,2a3houtdx,almoval,100 ;寫入計數(shù)器初值200movdx,2a0houtdx,almov dx,28bh ;設8255的A口為輸入mov al,9bhout dx,almov dx,288h ;從8255的A口輸入delay1:in al,dxand al,1 ;判斷PA0是否為1jzdelay1 ;若PA0不為1,轉de_laypop dxret ;子程序返回delayendp（5）語音發(fā)送和接收程序 語音發(fā)送程序： mov cx,60000 mov esi,offset data_qu chck: mov dx,285h in al,dx test al,20h jz chck mov dx,280h lodsb out dx,al loop chck語音接收程序：mov cx,60000mov edi,offset data_qu rec: mov dx,285h in al,dx test al,01h jnz rcv jmp rec rcv: mov dx,280h in al,dx stosb loop rec10 聯(lián)機調(diào)試 由于紅外收發(fā)器的電路相對簡單，所以調(diào)試也很方便。發(fā)射部分基本上不用調(diào)試，注意檢查發(fā)射管的極性連接是否正確。接收部分同樣要注意接收管的極性是否連接正確。 在通訊時，IRTX和GND之間應該有0.7V左右的電壓波動，如果沒有就是紅外接口有問題，或者是紅外接口沒有打開；IRRX和GND之間同樣有0.7V的電壓波動，如果波動范圍較小，可以調(diào)整取樣電阻，加大它的阻值，但不要太大，否則會降低接收的抗干擾能力。在聯(lián)機正常的情況下，可以將筆記本電腦放遠些，再調(diào)整取樣電阻，使通訊距離盡量大些。 其他的增大通訊距離的方法還有幾個：可以在接收管前面加一個紅色濾光片，以濾除其他光線的干擾；還可以在接收管和發(fā)射管前面加凸透鏡，提高其光線采集能力等等。11 統(tǒng)改進措施1根據(jù)IRDA（Infrared Data Association，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會）提供的“異步串行通訊標準”資料顯示，IRTX引腳能提供 6.0mA 的輸出電流，而 IRRX 引腳在吸收 1.5mA 電流就能對輸入信號作出反應。資料同時顯示紅外線接口的發(fā)射部分已將傳輸數(shù)據(jù)進行 38kHz 的載波，而接收部分將進行信號分離處理，所以在制作接口電路時無須再考慮載波和分離電路。2. 標準紅外接口： 下圖為 IRDA 提供的紅外通訊電路標準方案。 紅外發(fā)射電路由紅外線發(fā)射管L2和限流電阻R2組成。當主板紅外接口的輸出端IRTX輸出調(diào)制后的電脈沖信號時，紅外線發(fā)射管將電脈沖信號轉化為紅外線光信號發(fā)射出去。電阻R2起限制電流的作用，以免過大的電流將紅外管損壞。當R2的阻值越小，通過紅外管的電流就越大，紅外管的發(fā)射功率也隨電流的增大而增大，發(fā)射距離就越遠，但R2的阻值不能過小，否則會損壞紅外管或主板紅外接口！ 紅外接收電路由紅外線接收管L1和取樣電阻R1組成。當紅外接收管接收到紅外線光信號時，其反向電阻會隨光信號的強弱變化而相應變化，根據(jù)歐姆定律可以得知通過紅外接收管L1和電阻R1的電流也會相應變化，而在取樣電阻兩端的電壓也隨之變化，此變化的電壓經(jīng)主板紅外接口的輸入端IRRX輸入主機。由于不同的紅外接收管的電氣參數(shù)不同，所以取樣電阻R1的阻值要根據(jù)實際情況作一定范圍的調(diào)整。 該電路為IRDA的標準方案，一般的DIY可以使用該電路。電路雖然很簡單，但其性能還是不錯的，我用該電路連接筆記本電腦，在沒有誤碼的情況下，傳輸速度可以達到57.6Kbps！3. 擴展紅外接口： 下圖為 IRDA 提供的紅外通訊電路擴展方案。 該電路是在標準電路的基礎上，增加了抗干擾電路和增大發(fā)射功率電路。 抗干擾電路由電阻R4、電解電容E1、E2、獨石電容C2、C3組成，主要是濾除PC機電源中的干擾波。如果您的機器電源質(zhì)量較好的話，可以省略該部分電路。 增大發(fā)射功率電路由電阻R2、R3、功率三極管P1和電容C1組成，C1的作用是改善輸出信號的波形，三極管是放大輸出電流，以提高發(fā)射功率。4. 增強紅外接口： 下圖為本人根據(jù)試驗整理的紅外通訊電路增強方案。 該電路中主要改進的地方是發(fā)射部分采用對管放大，進一步提高了發(fā)射功率；而接收部分采用三極管對接收信號進行放大，提高了接收的靈敏度。工作原理可以參考上面的敘述。5. 元器件選擇： 元器件的選擇主要是發(fā)射管和接收管的測試。 1. 測試紅外發(fā)射管：紅外發(fā)射管實際上是一個特殊的二極管，用萬用表電阻檔測量，發(fā)射管的反向電阻通常為無窮大，正向電阻一般為500K左右。 2. 測試紅外接收管：紅外接收管也是一個二極管，測量時，它的正向電阻大于500K，而且不受光照的影響，反向電阻在沒有光線直射時，一般大于300K，強光照射時應小于10歐，有時會為負數(shù)，這是因為在強光照射時，二極管的PN結將獲得的光能轉化為電能，形成了0.7V的結電壓。小結： （1）語音回放的效果比較差?？煽紤]在A/D轉換電路前加前置放大電路和帶通濾波器，在D/A轉換電路后加低噪聲功率放大器。（2）傳輸?shù)木嚯x比較短，受干擾比較嚴重。在數(shù)據(jù)傳輸中，可靠性是一個重要的指標，為了克服干擾，增加傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斁嚯x，可采用提高光發(fā)射功率，使用光學元件如使用光學濾光鏡濾除散雜光、使用聚光鏡對發(fā)射光進行聚焦。還可引入差錯控制技術（又叫