Entwicklung eines Infrarotdatenübertragungssystems

Inhaltsverzeichnis

Bibliographische Beschreibung und Referat

Vorwort

Abkürzungsverzeichnis

Darstellungsverzeichnis

1. Ziel und Aufgabenstellung der Diplomarbeit

2. Materialgrundlage

3. Theoretische Vorbetrachtungen zur Produktentwicklung
3.1 Einführung
3.2 Warum drahtlose Datenübertragung, warum mit Infrarot ?
3.3 Erste Tests zur Datenübertragung mit Infrarot
3.4 Flexibilität durch Standards
3.4.1 Wie funktioniert IrDA?
3.4.2 Funktion der RS232-Schnittstelle
3.5 Berechnungen zur Infrarot-Datenübertragung
3.6 Topologien und Kommunikationsablauf
3.6.1 LAN-Topolgie für die Infrarot-Datenübertragung
3.6.2 Analyse zur Stochastischen Datenübertragung
3.6.3 Sichere Datenübertragung mit dem "Polling-mode"

4 Praktische Entwicklungsarbeit
4.1 Allgemeine Vorbetrachtung zur Entwicklung elektronischer Baugruppen
4.2 Aufbau und Funktion vom Infrarot-Datenübertragungssystem
4.2.1 Aufbau und Funktion des IrKnots
4.2.2 Aufbau und Funktion der IrCell
4.3 Software zur Messdatenerfassung
4.3.1 Einleitung
4.3.2 Das Programm für den Mikrocontroller der IrCell
4.3.3 Visualisierungssoftware unter Windows

5 Zusammenfassung der Ergebnisse

6 Ausblicke

7 Literaturverzeichnis

8 Eidesstattliche Erklärung

9 Lebenslauf

10 Anhang
10.1 Programmcode der Mikrocontrollersoftware von der IrCell
10.2 Programmcode für das VisualBasic-Programm
10.3 Fotos

I Bibliographische Beschreibung und Referat

Inhalt dieser Arbeit ist die Beschreibung und Analyse der Entwicklung eines drahtlosen Datenübertragungssystems auf Basis der Infrarotstrahlung.

Es werden dem Leser Möglichkeiten zur rationalen und mobilen Kommunikation aufzeigt. An Hand von Blockschaltbildern und Zeitdiagrammen wird die Funktion des weltweit verbreiteten IrDA-Standards erklärt. Der Aufbau und die Hardware-Implementierung speziell integrierter Schaltkreise der Kommunikationstechnik werden in Beispielen ausführlich erläutert.

Mathematische Berechnungen zur drahtlosen Kommunikation und einem stochastischen Informationsfluss, unterstützen die theoretische Arbeit.

Die Beschreibung von Kommunikationsablauf, dem Protokoll zur Datenübertragung zeigen lückenlos den Weg der Information im Netzwerk. Mittels von Blockschaltbildern werden Funktion und Aufbau des Controllerprogramms und der Visualisierungssoftware beschrieben.

Die Erläuterung des entwickelten Infrarot-Datenübertragungssystems und die Dokumentation der Ergebnisse in einen ausführlichen Anhang in Form von Schaltplänen, Layout, Fotos und Quellcodes vervollständigen die Arbeit.

II Vorwort

Grundlage für die Wahl des Diplomthemas war die Zusammenarbeit im Rahmen des 2. Praxissemesters mit der Firma Modul-Bus GmbH.

In einer fachlichen Diskussion mit Herrn Kainka, freier Mitarbeiter der Firma, wurden die Möglichkeiten einer drahtlosen Datenübertragung, von universellen Messgeräten, zu einem zentralen PC besprochen. Nach Festlegung der ökonomischen und räumlichen Dimensionen folgte eine intensive Produktsuche.

Die erfolglose Suche nach einem geeigneten System mit den geforderten Eigenschaften bildete damit die Grundlage für die Notwendigkeit einer eigenen Hard- und Softwareentwicklung.

An dieser Stelle möchte ich Herrn Prof. Dr. Linke dafür danken, dass er mir das Thema dieser Arbeit zur weitgehend selbständigen Bearbeitung überlassen hat und mir in Diskussionen beratend zur Seite stand. Weiterhin danke ich Herrn Kainka für seine unzähligen Hinweise zur Realisierung meiner praktischen Arbeit und seine Dialogbereitschaft, die für die Lösungsfindung vieler technischen Probleme während der Entwicklungsarbeit notwendig war.

An dieser Stelle danken ich auch Herrn Jochen Spannkrebs, Mitarbeiter der Firma Sensotech, der mir mit seiner hilfreichen Unterstützung einen schnellen Fortgang meiner Entwicklungsarbeit ermöglichte. Ebenfalls danke ich der Firma Modul-Bus GmbH, besonders Herrn Hagemann, für die finanzielle und stets freundliche Unterstützung sowie für die vielen kritischen Hinweise während der Entwicklungsarbeit.

III. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

IV Darstellungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: IrDA-Protocol Stack

Abbildung 2: Räumliche Anordnung für IrDA bei kleinen Entfernungen

Abbildung 3: Räumliche Anordnung bei größeren Entfernungen

Abbildung 4: Zeitverlauf der Codierung

Abbildung 5: Zeitverlauf der Decodierung

Abbildung 6: Beschaltung des Decoder/Encoder ICs mit einem µC und Sende/Empfangs-IC¹

Abbildung 7: Impulsposition bei PPM

Abbildung 8: Aufbau der 25- und 9-poligen RS232-Schnittstelle

Abbildung 9: Typischer Frame einer RS232-Schnittstelle

Abbildung 10: Verteilung der Strahlung im Raum

Abbildung 11: Fehlerhäufigkeit in Abhängigkeit von der Reichweite

Abbildung 12: Verlauf der Reichweite in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität

Abbildung 13: Arten von LAN – Topologien

Abbildung 14: Frame für die Datenübertragung vom Messgerät

Abbildung 15: Ablauf des Polling-mode

Abbildung 16: Entwicklungsprozess in Ablaufplan

Abbildung 17: Aufbau vom IrLAN im Überblick

Abbildung 18: Blockschaltbild vom IrKnot

Abbildung 19: Draufsicht(a) und Seitenansicht(a ohne IrLEDs) der Leiterplatte des IrKnots

Abbildung 20: Empfangsbereich des IrKnots, Darstellung mit 4 IrCellen

Abbildung 21: IrKnot (nur Leiterplatte) mit dem Erweiterungsmodul

Abbildung 22: Blockschaltbild der IrCell

Abbildung 23: Ablauf der Kommunikation zeitlich dargestellt

Abbildung 24: Programmablaufplan für die Software des Mikrocontrollers

Abbildung 25: Ablaufplan der Anwendersoftware

Abbildung 26: Bildschirmdarstellung nach Programmaufruf

Abbildung 27: Bildschirmdarstellung nach ausgewählten Programmstart

Abbildung 28: Softwareprojekt im Überblick

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Eigenschaften der verbleitesten Verfahren zur drahtlosen Kommunikation

Tabelle 2: Gegenüberstellung von Frequenz- und Amplitudenmodulation

Tabelle 3: Einstellung der Baudrate an den Eingängen A0-A2

Tabelle 4: Code für PPM

Tabelle 5: Pinbelegung von 25- und 9-poligen RS232-Schnittstelle

Gleichungsverzeichnis

Gleichung 1: Quadratischen Abstandsgesetz

Gleichung 2: Quadratischen Abstandsgesetz nach der Entfernung umgestellt

Gleichung 3: Klassische Definition der Wahrscheinlichkeit

Gleichung 4: Einzelwahrscheinlichkeit für den korrekten Empfang

Gleichung 5: Berechnung der Wahrscheinlichkeit [P5]

Fotoverzeichnis

Foto 1: Ansicht vom IrKnot von oben

Foto 2: IrKnot, links im Bild, mit IrCell und Multimeter

Foto 3: Ansicht der IrCell von oben

Foto 4: IrCell, in Bildmitte, mit IrKnot und Multimeter

1. Ziel und Aufgabenstellung der Diplomarbeit

Die Forderung der Diplomarbeit ist die klare Dokumentation notwendiger Schritte zur Entwicklung eines drahtlosen Netzwerkes auf der Basis von Infrarotlichtwellen. Die Entwicklungsarbeit soll nahezu lückenlos betrachtet und ausgewertet werden.

Dazu gehören umfangreiche theoretische Vorbetrachtungen, die folgende Aspekte berücksichtigen:

- Produktklassifizierung
- Vergleich der Übertragungsmedien
- Analyse der Übertragungsverfahren
- Festlegung der Protokolle
- Betrachtung der notwendigen Standards
- Berechnungen zur Reichweite und Übertragungsarten
- Erläuterung der erforderlichen Netz-Topologie

Nach dem Abschluss dieser Betrachtungen soll die Erläuterung der praktischen Realisierung mit nachstehenden Inhalt erfolge.

- Einführung zur praktischen Entwicklungsarbeit
- Beschreibung aller Komponenten mit Aufgabe und Funktion
- Beschreibung der erforderlichen Software für Kommunikation und Visualisierung

Es wird versucht, alle wichtigen Aspekte der Entwicklungsarbeit ausreichend zu betrachten, um den Leser einen tiefen Einblick in die Funktion des IrLANs und seinen Entwicklungsprozess zu gewährleisten.

2. Materialgrundlage

Da die Entwicklungsarbeit im Rahmen eines Praktikums bei der Firma Modul-Bus GmbH durchgeführt wurde, verwendete man für die Erstellung der Assemblerprogramme das von Modul-Bus hergestellte Entwicklungssystem ES51 mit dem Macrocompiler MC51 von B. Kainka. Zum hardwaremäßigen Aufbau der Infrarot-Datenübertragung wurden integrierte Schaltkreise von HEWLETT PACKARD genutzt. Das Brennen der Programme in den Flash-Mikrocontroller 89C2051 von ATMEL erfolgte in einem Programmiergerät von Baxtronic. Erforderliche Digitalmultimeter sind vom Typ M3660D der Firma Metex. Die unter Windows arbeitende Anwendersoftware zur Datenspeicherung und Visualisierung ist mit Visual Basic 6 erstellt worden.

Für die Entwicklung der Schaltpläne und Layouts wurde das CAD-Programm EAGLE der Firma CadSoft verwendet verwendet.

3. Theoretische Vorbetrachtung zur Produktentwicklung

3.1 Einführung

An dieser Stelle werden grundlegende Fragen zur Entwicklungsarbeit aufgegriffen und erläutert. Ziel ist es, dem Leser ein grobes Schema für den Beginn der praktischen Entwicklungsarbeit zu liefern.

Generell sollte jeder Entwickler von elektronischen Baugruppen vor Beginn seiner Arbeit sichere Antworten auf folgende 4 Fragen finden.

1. Was wird gesucht ?
2. Wie kann es auf technisch rationellste Weise funktionieren ?
3. Besitze ich als Entwickler das nötige Wissen und alle m ateriellen Vorraussetzungen ?

Daraus resultieren die technischen Eigenschaften und das eventuell zu verwendende Material des neuen Produktes.

Dies gibt der Entwicklung einen finanziellen Rahmen und weitere Hinweise über das Material und Software.

Hier ist es wichtig, den finanziellen Rahmen der Entwicklung abzuschätzen und Risiken zu kalkulieren.

4. Wird das gesuchte

Produkt oder Ähnliches schon am Markt angeboten ?

Die Frage verdeutlicht die Wichtigkeit einer ausführlichen Produktsuche zur Einschätzung der Marktsituation und der preislichen Orientierung.

Durch regelmäßige Anfragen von Kunden der Modul Bus GmbH, den technischen Diskussionen und durch erste Testläufe, konnten Fragen 1 - 3 frühzeitig beantwortet werden. Parallel wurden in der Fachpresse und im Internet nach einem derzeitig am Markt schon vorhandenen Produkt gesucht.

Man konnte schnell die Produktklassifizierung abschließen und die Eigenschaften des gesuchten Infrarot-LAN wie folgend definieren:

- preiswert
- flexible Stromversorgung (Batterie und Netzbetrieb)
- mittlere Reichweite bis 12 Meter
- sehr handlich und klein
- möglichst große Übertragungsrate
- störsicher
- flexible Einbindung in fremde Systeme (Standard Schnittstellen)

In den nun folgenden Kapiteln 3.1 - 3.2 werden die physikalischen Möglichkeiten einer drahtlosen Datenübertragung auf der Basis der Infrarotstrahlung betrachtet und die ersten Versuche zur Infrarot-Kommunikation ausführlich beschrieben.

3.2 Warum drahtlose Datenübertragung, warum mit Infrarot ?

In der Praxis ist es oft erforderlich einen Fertigungsprozess mit möglichst hoher Flexibilität zu realisieren. So kann z.B. ein vorübergehender Produktwechsel eine schnelle Erweiterung der vorhandenen Produktionsanlagen erfordern.

Ebenso ist es denkbar, dass Messdaten an einen unzugänglichen Ort im Produktionsprozess oder im Labor erfasst und drahtlos zu einem zentralen Rechner gesendet werden müssen.

Auch durch den wachsenden Einsatz von Automatisierungseinrichtungen der Industrie wird es im zunehmenden Maße erforderlich, Daten zwischen einer beweglichen Maschine (z.B. Roboter, Regalförderanlage oder Transporteinrichtungen) und den dezentralen Einheiten einer Produktionsanlage zu transportieren. Hier werden oft die Datenleitungen in sogenannten Schleppführungen verlegt. Da diese aber eine regelmäßige Wartung erfordern, um prophylaktisch einen Bruch während des Produktionsprozesses vorzubeugen, ist diese Art der Datenübertragung sehr kostenintensiv.

In der Logistik innerhalb eines Unternehmens oder Produktionsprozesses ist es oft nötig alle im Prozess befindlichen Produkte/Materialien ständig zu erfassen ohne den Materialfluss selbst zu unterbrechen. Hier ermöglicht eine Datenlichtschranke die unterschiedlichsten Transporteinrichtungen elektronisch berührungslos zu markieren und zu erkennen.

Weiterer Vorteil einer drahtlosen Kommunikation ist die Potenzialtrennung, sie ist eine Grundvorrausetzung in der Messtechnik für die sichere und genaue Funktion der Geräte.

Personalkosteneinsparung beim Aufbau von Automatisierungseinrichtungen können auch ein Faktor für die leiterlose Vernetzung von Produktionsanlagen sein.

Dies sind nur einige Argumente für eine Installation einer drahtlosen Kommunikationsstrecke. In der modernen Kommunikationswelt gibt es generell eine zunehmenden Anzahl von Anwendungsfällen, die eine Datenübertragung mittels Kupferkabel oder LWL technisch aufwendig oder unmöglich machen.

Doch warum eine Lösung mit Infrarot ?

Dazu soll zunächst der Leser einen kurzen Überblick über die verbreitetsten physikalischen Medien der drahtlosen Datenübertragung erhalten.

Es stehen im Allgemeinen drei Übertragungsmedien zu Wahl:

- Ultraschall
- Datenfunk
- Infrarot

Aufgrund der völlig unterschiedlichen Eigenschaften dieser Prinzipien besitzt jedes seinen eigenen Anwendungsbereich, d.h. keines der Medien steht in direkter „Konkurrenz“ zum anderen.

Die nachfolgende Tabelle1¹ enthält eine Gegenüberstellung der Medien um entsprechend der Anwendung die Wahl des geeignetsten Verfahren zu erleichtern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5 – Eigenschaften der Verbreitesten Verfahren zur drahtl. Kommunikation

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die einzigen Alternativen für eine drahtlose Kommunikation mit einer hoher Baudrate die Datenfunk- oder die Infrarot-Datenübertragung sind.

Möchte man eine Übertragung realisieren, die mittels Funk die Daten transportiert, so sind jedoch sehr hohe Entwicklung- und Zulassungskosten unumgänglich. Weiterhin erfordert die Arbeit im HF-Bereich spezielle Messtechnik.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die für die Funkübertragung erforderlichen Module fertig einzukaufen und in die Eigenentwicklungen zu integrieren, um Kosten zu sparen. Dies würde derzeit jedoch das Endprodukt wesentlich verteuern. Es ist aber abzusehen, dass preiswerte Funkmodule wie z.B. Bluetooth² den Markt der Funk-Kommunikation erobern werden.

Großer Nachteil einer Datenübertragung mittels Funk ist die Störanfälligkeit in einem elektromagnetisch "verseuchten" Raum³.

Auf Grund der geforderten Eigenschaften (siehe vorhergehendes Kap. 3.1) kam für die Wahl des Übertragungsmediums im Rahmen der praktischen Arbeit des Autors nur ein System auf der Basis der Infrarotstrahlen in Frage.

Die Datenübertragung mit Infrarot ist preiswert und erlaubt einen sehr vielseitigen Einsatz. Sie ist schnell und zuverlässig.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich das Infrarotspektrum von 780 nm bis 1mm Wellenlänge erstreckt und sich damit im Bereich des nichtsichtbaren Lichtes befindet. D.h. Infrarot wird nach DIN 5031 als physiologisch unbedenklich eingestuft. Zum Betreiben von Infrarot-Datenübertragungseinrichtungen ist also keine besondere Zulassung seitens des Gesetzgebers erforderlich. Was wiederum Kosten während einer Entwicklungsarbeit einspart.

Die Nachteile von Infrarot sind jedoch die begrenzte Reichweite und das Sender und Empfänger für eine schnelle und korrekte Kommunikation in direkten Sichtbereich liegen sollten.

Bei größeren Reichweiten (>50 m) kann eine Datenübertragung mit Laser realisiert werden, diese ist aber für viele Anwendungen aufgrund der Gefährlichkeit des Laserstrahls für das menschliche Auge nur für einen begrenzten Einsatz denkbar.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass unter Berücksichtigung aller Vor- und Nachteile, die drahtlose Datenübertragung mit Infrarot in Vergleich zu den Medien Funk und Ultraschall, alle Eigenschaften zum gesuchten Netzwerk (siehe Kap. 3.1) bestens erfüllt.

3.3 Erste Tests zur Datenübertragung mit Infrarot

Generelles Bestreben der Entwicklungsarbeit ist, schon vorhandene Standards zu nutzten. Zum einen, um den einfachsten Weg für eine zuverlässige Datenübertragung zu finden, zum anderen um eine möglichst hohe Kompatibilität zu anderen Geräten zu gewährleisten.

Es sind im Allgemeinen folgenden Arten der Datenübertragung mit Infrarot bekannt:

- frequenzmoduliert
- amplitudenmoduliert (IrDA 1.0)
- zeitmoduliert (PPM , IrDA1.1)

Herkömmliche Ir-Fernbedienungen von Geräten der Unterhaltungselektronik nutzten größtenteils die erste Variante. Sie hat den Vorteil der großen Reichweite bei kleiner Sendeleistung. Nachteilig ist jedoch die sehr geringe Übertragungsrate. Übliche Systeme benutzen als Übertragungsfrequenz 36-40 kHz. Geht man davon aus, dass das der Empfänger ca. 7-10 Perioden zum Einschwingen benötigt, können diese Systeme nur Daten mit einer Übertragung von bis zu 2400 Baud versenden.

Der im nachfolgenden Kap. 3.3.1 beschriebene IrDA 1.0 Standard hingegen arbeitet mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 115.2 kBaud. Da dieser jedoch im Allgemeinen nur für Entfernungen von bis zu 3 Metern eingesetzt wird, ist eine erste Testreihe für den Vergleich der verschieden Systeme, frequenzmoduliert und amplitudenmoduliert, notwendig.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die Ergebnisse der ersten Testreihe dargelegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6 – Gegenüberstellung von Frequenz- und Amplitudenmodulation (IrDA 1.0)

Für die frequenzmodulierte Datenübertragung wurden als Sender eine IrLED vom Typ CQW 13 und als Empfänger ein Empfangsbaustein vom Typ SF 5110-36 der Firma Siemens verwendet.

Die Datenübertragung mittels IrDA wurde mit einer IrLED HSDL 4230 als Sender und einem Empfangsbaustein HSDL 1001 von HEWLETT PACKARD aufgebaut.

Diese ersten Versuche ergaben eine beachtliche Reichweite für die frequenzmodulierte Datenübertragung, aber auch mit dem IrDA-Standard konnte eine große Reichweite erzielt werden.

Zur einfachen Durchführung dieser Testreihen wurde lediglich das High/Low-Signal eines Taktgenerator mit 2 Hz zum Empfänger gesendet. Dieser demodulierte das Ir-Signal. Eine blinkende LED am Empfänger signalisierte den korrekten Empfang.

Wichtig für diese ersten Feldversuche war ausschließlich die möglichen Reichweiten beider Systeme im Vergleich zu ermitteln, um das für die weitere Arbeit optimale Prinzip auszuwählen. Die Übertragungsraten wurden dabei noch nicht berücksichtigt.

Bei späteren Versuchen stellte sich jedoch heraus, dass die Reichweite um ca. 20 % abnimmt, wenn hohe Datenübertagungsraten (>19KBaud) benötigt werden.

Zusammenfassend zu diesen ersten Versuchen konnte man feststellen:

Die erzielte Reichweite mit IrDA, bei hohen Datenraten ist ausreichend gut und die Übertragungsrate ist im Vergleich zum frequenzmodulierten System um ein Vielfaches höher. Unter Betracht der Anforderungen siehe Kap. 3.1. ist IrDA das beste Verfahren für die Entwicklungsarbeit.

Ein weiteres Argument für den IrDA-Standard ist die bereits große Produktpalette von Bauelementen am internationalen Markt, die diesen Standard unterstützen.

In der Entwicklungsarbeit sah man auch den Versuch neue Anwendungsbereiche für diesen Standard zu erschließen, da der entwickelte IrLAN (ausführlich beschrieben im Kap. 4.2) eine verhältnismäßig große Reichweite besitzt.

3.4 Flexibilität durch Standards

3.4.1 Wie funktioniert IrDA?

Der IrDA-Standard ist ein offener Standard, da die 1993 in Walnut Creek (Californien/USA) gegründete Infrarot Data Association (IrDA) eine nonprofit-organisation ist. Derzeit sind ca. 100 Unternehmen weltweit Mitglied in dieser Organisation.

Hauptanwendungsgebiete von IrDA sind Datenübertragungen im Office-Bereich. Dazu zählt die Kommunikation zwischen PC und Mouse, Tastatur, Drucker, Modem oder anderen Peripheriegeräten, aber auch dem Mobiltelefon.

Da der Markt der mobilen Kommunikation weiter expandiert, ist zu erwarten, dass IrDA in den nächsten Jahren beträchtlichen Marktzuwächse erzielt. Dies führte bereits dazu, dass Halbleiter, die mit diesem Standard arbeiten Massenware sind und ein gutes Preis/Leistungsverhältnis, sowie einen hohen Entwicklungsstand besitzen.

Anwendungen aus Labor und Industrie sind weniger verbreitet. Vor allem in der Industrie wird vornehmlich mit 38kHz-Infrarot-Modulation (siehe Kap. 3.3) gearbeitet.

Ursache dieser Entwicklung ist zum einen die geringe Reichweite von IrDA. Zwar kann der Anwender mit IrDA zur Zeit auf einfachste Weise ganze drahtlose LANs aufbauen, jedoch haben die meisten IrDA-Komponenten eine Reichweite von maximal 3 Metern, was für viele Industrieanwendungen viel zu gering ist. Zum anderen erfordern technische Lösungen für die Industrie oft zeitaufwendige Testreihen, womit sich neue Standards nur langsam durchsetzen.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen IrDA Version 1.0, für eine Datenübertragungsrate bis zu 115.2 kBaud und IrDA Version 1.1, mit welcher die Datenübertragungsrate bis zu 4 MBaud (ganz neu sogar bis 16 MBaud¹ ) beträgt.

Es ist abzusehen, dass gemäß der Entwicklung in der Kommunikationstechnik weitere Versionen mit größeren Datenübertragungsraten folgen.

Analog zum OSI-Referenz-Model gibt es für IrDA einen festen Protocol Stack. Dieser ist ein theoretisches Model zur Hard- und Software-Architektur des Standards. Der Protocol Stack lässt sich in 4 Schichten aufteilen (siehe Abbildung 1, nachfolgende Seite).

Die Schnittstelle unterhalb der Multiple Vendedor Software ist vergleichbar mit der Schnittstelle zwischen Darstellungs- und Anwendungsschicht des OSI-Referenz-Models.

Die unterste Schicht, der IrDA Physical Layer, hat die Aufgabe, die elektrischen Daten in optische Impulse zu verwandeln und umgekehrt aus der optischen Information elektronische Daten zu gewinnen.

Dieser Layer ist eine Abwandlung des HDLC-Protocols. D.h. ,dass der Layer die Intensität der Infrarot-Impulse auswertet, um die Information auf High oder Low-Pegel zu erhalten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - IrDA-Protocol Stack¹

Die nächsthöhere Schicht beinhaltet das Infrared Link Access Protocol (IrLAP). Diese Schicht realisiert die Initialisierung, Adressprüfung, Teilnehmeridentifikation, Fehler- und Flusskontrolle, sowie den Verbindungsaufbau und -abbau. IrLAP erstellt auf unterster Ebene den Frame und die Byte-Struktur für das IrDA-Datenpaket.

Die darrüberliegende Schicht (IrLMP) fügt diesem Datenpaket das Link Managment Protocol zu. Sie prüft die Verfügbarkeit der angeschlossenen Module und legt Parameter wie Datenrate, Frame-Anfang und Länge fest. IrLMP organisiert den korrekten Datenfluss zwischen Anwendersoftware und IrDA Protocol Stack.

Parallel zum IrLMP hat das Transport Protocol (Irtp) die Aufgabe, unabhängig eine zusätzliche Flusskontrolle zu realisieren. Weiterhin führt es bei Notwendigkeit eine Aufteilung der Daten in einzelne Pakete durch und fügt umgekehrt die ankommenden Datenpakete wieder zusammen.

Die mit System Specific Service bezeichnete Schicht ist nicht Bestandteil des IrDA Protocol Stack. Sie ist abhängig vom Hersteller der Hard- und Software frei konfigurierbar.

Da nur die Integration des IrDA Physical Layer Bestandteil der Entwicklungsarbeit war, soll an dieser Stelle die Datenübertragung mit IrDA auf dieser Ebene ausführlicher erläutert werden.

Als Richtlinie für die räumliche Anordnung von Sender und Empfänger bei Entfernungen von bis zu 1 m gilt die in Abbildung 2 dargestellte Anordnung.

Für Entfernungen > 1 m wird eine genaue Ausrichtung von Sender und Empfänger notwendig, d. h. die Flächennormale von Sender- und Empfängerfläche sollten im Raum eine Gerade bilden (siehe Abbildung 3).

Bei Entfernungen > 3 m wird dies allerdings problematisch, da eine 100%ige Ausrichtung unmöglich ist

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2¹ - Räumliche Anordnung für IrDA bei kleinen Entfernungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Räumliche Anordnung bei größeren Entfernungen

In diesem Punkt ist es wichtig, den richtigen Kompromiss zwischen Sendeleistung, Reichweite und Modulgröße zu finden, da gefordert ist (siehe Kap. 3.1), dass die erforderliche Komponenten des Infrarot-Systems möglichst kompakt und handlich sind und optional ein netzunabhängige Einsatz möglich ist.

Eine relativ große Reichweite mit begrenzter Sendeleistung ließ sich somit nur durch eine Abstrahlcharakteristik in Form eines schmalen Kegels erzielen.

Test über größere Entfernungen > 10 m erforderten jedoch die genaue Ausrichtung von Sender und Empfänger, was unter Umständen Zeit beanspruchen würde. Geht man aber davon aus, dass diese Ausrichtung in den meisten Fällen nur einmalig zur Erstinbetriebnahme notwendig wird, ist dieser Nachteil angesichts der hohen Reichweite des Systems akzeptabel.

Da für eine Datenübertragung mit IrDA kurze und intensive Lichtimpulse erforderlich sind, wandelt ein sogenannter Decoder/Encoder-Schaltkreis, die genaue Bezeichnung lautet HSDL 7001, einen seriellen Bitstrom in kurze elektrische Impulse um. Ebenso wird aus den ankommenden Impulsen ein serieller Bitstrom generiert. Die nachfolgenden Abbildungen 4 und 5 erklären diese Codierungsart an hand von Zeitverläufen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Zeitverlauf der Codierung¹

Für jedes im seriellen Datenstrom enthaltene Low-Bit wird ein kurzer Impuls erzeugt. Dieser Impuls dauert genau 3 Perioden der am Decoder/Encoder-IC anliegenden Quarzfrequenz und befindet sich zeitlich genau im Zentrum des Low-Bits. Analog werden ankommende Impulse in einen seriellen Bitstrom umgewandelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 - Zeitverlauf der Decodierung2

Für die zeitliche Platzierung der Impulse muss der Schaltkreis die anliegende Baudrate des seriellen Bitstroms kennen. Dafür besitzt der Decoder/Encoder-IC 3 zusätzliche Eingänge (A0-A2).

In der Abbildung 6 ist die Verschaltung des Decoder/Encoder-IC mit Empfangs/Sende-IC und Mikrocontroller dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 - Beschaltung des Decoder/Entcoder ICs mit einem µC und

Sende/Empfangs-IC¹

In Tabelle 3 ist die Codierung aufgelistet. Beispielsweise arbeitet der IC für das vom Autor entworfene System mit einer Baudrate von 115.2 kBaud, d. h. an den Eingängen A0, A1 und A2 befindet sich ein Low-Signal.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 7 - Einstellung der Baudrate an den Eingängen A0-A2²

Ein nachfolgender Sende/Empfangs-IC, mit dem Namen HSDL 1001 (siehe obige Abbildung 6), verstärkt die vom Decoder/Encoder-IC kommenden Impulse und wandelt diese mittels einer IrLED in Lichtimpulse um.

Dieser Sende/Empfangs-IC besitzt auch eine Fotodiode, die elektrische Signale aus den Lichtimpulse generiert und diese wiederum auf TTL-Pegel verstärkt und zum Decoder/Endcoder-IC sendet.

Da das Verhältnis von Impulsdauer und internen Schaltinterval vom Decoder/Encoder-IC (siehe Abbildung 4 und 5, Seite 13) 3/16 beträgt, nennt man diese Codierung auch 3/16 Modulation. Sie wird nur für den IrDA Standard Version 1.0 genutzt.

Für eine Datenübertragung von >115.2 kBaud wird der bereits erwähnte IrDA Standard Version1.1 verwendet.

Diese Version arbeitet mit der Pulse Position Modulation (PPM). Dabei wird ein Bitmuster, welches aus zwei Datenbits besteht, mit nur einem Impuls übertragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7¹ - Impulsposition bei PPM Tabelle 8 2 - PPM Code

Auf Grund der zeitlichen Position des Impulses (siehe Abbildung 7) kann der Empfänger die mögliche Kombination der beiden Datenbits nach Tabelle 4 entschlüsseln. Wird beispielsweise der 125 ns lange Impuls im 3. Zeitraster empfangen, generiert der Decoder/Entcoder Schaltkreis das serielle Bitmuster "10".

Diese Art der Codierung ermöglicht eine sehr schnelle Datenübertragung von bis zu 4 MBaud. Die Baudrate ergibt sich aus dem Zeitraster von 4x125ns für den zu übertragenden Impuls. Sie lässt sich wie folgt berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wird darauf verwiesen, dass die Funktion der verwendeten Schaltkreise von HEWLETT PACKARD nicht vollständig beschrieben wurde, weitere Details enthalten die beim Hersteller erhältlichen Datenblätter.

[...]

¹ Hp:Datenblatt HSDL-7001, 1996, S.8

¹ auszugsweise aus H.Gebhard: Beitrag zur Gestaltung leiterloser Datenübertragungssysteme in der Materialflusstechnik am Beispiel eines Infrarot-Systems, Dortmund 1992, S. 15

² Kurzstrecken-Funkstandard, 1998 von Ericsson, Nokia, IBM, Intel und Toshiba veröffentlicht

³ Raum/Umgebung mit starken elektromagnetischen Feldern

¹ Die Übertragungsmethode mit 16 MBaud wird auf Grund seiner Neuheit noch nicht in Kap.3.4.1 berücksichtigt

¹ HEWLETT PACKARD : IrDA Data Link Design Guide, 1999, S. 1

¹ HEWLETT PACKARD : IrDA Data Link Design Guide, 1999, S. 2

¹ und 2 Hp:Datenblatt HSDL-7001, 1996, S.4

¹ Hp:Datenblatt HSDL-7001, 1996, S.8

² Hp:Datenblatt HSDL-7001, 1996, S.3

¹ und 2 HEWLETT PACKARD : IrDA Data Link Design Guide, 1999, S. 3