基于大功率白光LED的可見光通信.doc

基于大功率白光LED的可見光通信 宋其巖，趙陽(yáng)，劉福有，楊婧 （山東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山東濟(jì)南250358） 摘要：該設(shè)計(jì)是基于STM32的大功率白光LED可見光通信系統(tǒng)，白光從發(fā)送到接收傳輸距離最高可達(dá)5m。可傳輸頻率為300Hz8kHz的模擬信號(hào)及高保真音頻，波特率可達(dá)1.6Mb/s，輸出信號(hào)在示波器上無(wú)明顯失真。該系統(tǒng)具備雙信道通信，兩路信道同時(shí)均可傳輸300Hz8kHz的模擬信號(hào)。由從站LCD12864液晶顯示當(dāng)前單信道通信或雙信道通信。模擬信號(hào)經(jīng)傳輸后在示波器上顯示無(wú)明顯失真。模擬信號(hào)為8倍采樣，音頻為6倍采樣，采樣信號(hào)經(jīng)上拉放大后由12位A/D轉(zhuǎn)換器采樣，經(jīng)過壓縮后由主站通過白光LED發(fā)射。接收站通過光電接收管接收信號(hào)后經(jīng)解碼、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)濾波放大后輸出至示波器或音頻放大器。 關(guān)鍵詞：stm32白光通信；a/d轉(zhuǎn)換器；d/a轉(zhuǎn)換器；編碼；雙信道通信 ：TN929.1?34：A：1004?373X（xx）13?0039?03 ：xx?11?23 0引言 德國(guó)柏林的海因里希赫茲、弗朗禾費(fèi)通信研究所的GelenaGrubor和KlausDieterLanger提出用白光LED進(jìn)行寬帶信息傳輸。他們首先提出了大功率白光LED因調(diào)制帶寬有限而限制了傳輸速率，因而他們研究的重點(diǎn)在于如何提高調(diào)制帶寬，提出了多電平調(diào)制方法，該觀點(diǎn)比較切合實(shí)際。Bremen大學(xué)的HanyElgala主張采用強(qiáng)度調(diào)制方法對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，同樣提出了正交頻分復(fù)用技術(shù)用于可見光通信。南洋理工大學(xué)的DamonW.K.Wong和GeorgeChen從光源的模型出發(fā)，提出了白光LED的布局存在最優(yōu)分布的觀點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既可以照明又可以發(fā)射1kHz正弦信號(hào)。 國(guó)內(nèi)在白光LED照明通信研究領(lǐng)域相對(duì)于國(guó)外較晚，xx年以來成為研究的熱點(diǎn)，主要研究成果發(fā)表于xx年，且大部分集中在理論方面研究。最早的文獻(xiàn)見于xx年2月的半導(dǎo)體光電雜志，西安理工大學(xué)柯熙政和丁德強(qiáng)對(duì)LED可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。xx年6月杭州電子科技大學(xué)的周洋研究了LED可見光無(wú)線通信的現(xiàn)狀和發(fā)展方向1。xx年華南師范大學(xué)劉宏展在光無(wú)線通信上發(fā)表了白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展。 1方案論證 1.1系統(tǒng)控制芯片 方案一：STC89C52，8位MCU。該芯片操作簡(jiǎn)單，庫(kù)函數(shù)豐富，價(jià)格低廉，成本低，易控制，但RAM僅為4KB，處理速度不快，難以用在精密控制、精密測(cè)量以及高速大數(shù)據(jù)的傳輸中。 方案二：MSP430，16位MCU。該芯片低功耗，節(jié)能，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（MixedSignalProcessor），適用于便攜式儀器儀表中，主頻為8MHz，無(wú)法倍頻，故處理速度相對(duì)較慢，I/O口翻轉(zhuǎn)速度較難滿足發(fā)射速度。 方案三：STM32增強(qiáng)型，32位MCU。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的要求專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARMCortex?M3內(nèi)核。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。內(nèi)置32128KB的閃存，SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率為72MHz時(shí)，I/O可以滿足音頻發(fā)射速度，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。 綜合以上分析選擇方案三。 1.2A/D轉(zhuǎn)換/D/A轉(zhuǎn)換的論證與選擇 方案一：STM32內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換/D/A轉(zhuǎn)換，無(wú)需復(fù)雜的外圍電路，無(wú)需額外提供電源，使用方便，實(shí)踐表明，使用片內(nèi)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)白光傳輸?shù)男盘?hào)噪聲較大，如圖1所示。 綜上分析選擇方案二。 1.3功放電路 方案一：LM386，是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)中。 方案二：NE5532，電壓適應(yīng)范圍非常寬，從320V都能正常工作。聲音特點(diǎn)總體來說屬于溫暖細(xì)膩型，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，但高音略顯毛糙，低音偏肥，而且價(jià)格比較貴。 方案三：AD827，此芯片增益帶寬達(dá)50MHz，SR達(dá)到300V/s，高頻、低頻音質(zhì)非常好無(wú)明顯失真。且在5V的供電下仍有優(yōu)異的性能。價(jià)格昂貴，用在此系統(tǒng)中不經(jīng)濟(jì)。 綜上分析選擇方案一。 1.4光電器件的選擇 方案一：650nm激光接收頭。當(dāng)今主流照明白光LED為“單色光+熒光粉”的形式。熒光粉激發(fā)出大量紅光，紅光波長(zhǎng)為622770nm，激光接收頭的接收波長(zhǎng)約為650nm，這樣能消除大部分外界光源的干擾，能提升系統(tǒng)的抗干擾能力。而且激光接收頭價(jià)格低廉，接收頻率高，操作簡(jiǎn)單。 方案二：半導(dǎo)體光電傳感器。接收光線波長(zhǎng)較廣，對(duì)可見光靈敏度高，選擇性較差。系統(tǒng)傳輸速率高達(dá)1.6Mb/s，而高速器件的價(jià)格較高，不利于成本控制。綜合以上分析，選擇方案一。 2主要單元電路 2.1音頻功放電路 由于D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)只有幾十mV，人耳聽不清，所以要加一個(gè)放大電路，將電壓放大，驅(qū)動(dòng)喇叭，電容C4作用為隔直流，還原交流信號(hào)，隔離采樣電路中加法器上拉的直流電壓，如圖3所示。 2.2電源電路 LM2596開關(guān)電源調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150kHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。 計(jì)算公式為： 3流程圖 系統(tǒng)整體流程圖，如圖5所示。程序流程圖如圖6所示。程序編碼流程圖如圖7所示。 4相關(guān)參數(shù)計(jì)算說明 4.1帶通濾波器 人耳聽到的聲音頻率范圍為20Hz20kHz，所以帶通應(yīng)為20Hz20kHz。高通濾波部分為使信號(hào)衰減小，所以R1應(yīng)盡量大，選R1為68k，輸入音頻信號(hào)應(yīng)不高于200mV，所以衰減的信號(hào)在A級(jí)，由f=1(2RC)知，此時(shí)C=1(2fR)=0.1F。低通濾波部分為了保持信號(hào)，所以R2應(yīng)盡量小，選為680，由f=1(2RC)知，此時(shí)C=1(2fR)=0.02F，帶通濾波如圖8所示。 5系統(tǒng)調(diào)試 5.1硬件調(diào)試 先在面包板上搭建功放電路，然后由手機(jī)播放音頻，調(diào)試外圍元件參數(shù)，直到音頻無(wú)失真為止。調(diào)整好參數(shù)后焊接電路，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。 由于A/D轉(zhuǎn)換只能采集正電壓，然后濾波，根據(jù)香農(nóng)采樣定理使用六倍頻采樣，確保能準(zhǔn)確還原波形，所以需要對(duì)音頻信號(hào)的模擬信號(hào)進(jìn)行上拉電壓，將整體電壓上拉到0V以上，接收站收到信號(hào)后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再由減法器還原原音頻的模擬信號(hào)。 5.2軟件調(diào)試 信號(hào)發(fā)射端：首先通過ADC采樣，將12位采樣數(shù)據(jù)分解成兩個(gè)字節(jié)，在每個(gè)字節(jié)的前兩位加上引導(dǎo)碼，以方便接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。再通過壓縮編碼，先將分解后的原碼通過串口發(fā)送出去，下一次將采樣的數(shù)據(jù)與原碼做差，將差值通過串口發(fā)送出去。利用編碼后，每傳輸兩次采樣值可節(jié)省1個(gè)字節(jié)，加快了通信的速率。 同時(shí)，本設(shè)計(jì)可切換為雙路通信，軟件采用時(shí)分復(fù)用的辦法，將兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敚⑼ㄟ^自定義的通道切換碼進(jìn)行不同通道之間的切換。 信號(hào)接收端：首先通過串口中斷不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，將接收的已被編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，隨后將解碼的數(shù)據(jù)寫入DAC并輸出相應(yīng)的模擬量。當(dāng)接收到通道切換碼時(shí)，接收端即刻轉(zhuǎn)換為雙通道工作模式，將接收到的不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別解碼，并通過不同的DAC輸出相應(yīng)的模擬量。 6測(cè)試 （1）1kHz正弦波輸出波形（上）與原波形（下）相比較基本無(wú)失真，如圖9所示。 （2）8kHz方波輸出波形（上）與輸入波形（下）相比較基本無(wú)失真，如圖10所示。 7結(jié)論 通過本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，熟練應(yīng)用并掌握了大功率白光通信原理，熟練運(yùn)用了壓縮編碼的通信方式。另外了解到理論與實(shí)踐確實(shí)有些差距，比如高通、低通濾波時(shí)，理論計(jì)算的數(shù)值并不是抑制噪聲最佳的數(shù)值，需要考慮到電路中其他器件的影響，比如在三極管的電路中，在高頻范疇要考慮到極間電容的影響，以及導(dǎo)線的電感效應(yīng)。在代碼編寫方面，體會(huì)到代碼實(shí)時(shí)性的重要，代碼編寫要簡(jiǎn)介明了，杜絕程序冗雜，提高代碼的穩(wěn)定性。 參考文獻(xiàn) 1劉文生，李錦林.取樣技術(shù)原理與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，1981. 2康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等