白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李程

摘 要：在信息化高度發(fā)展的今天，無論軍用，商用或是民用，均需要高速傳輸且不對外界造成任何干擾。與傳統(tǒng)的射頻通信以及其它無線光通信系統(tǒng)相比較，可見光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾和無電磁輻射、節(jié)約能源等諸多優(yōu)點。而白光LED采用電場發(fā)光和低電壓供電，具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射、低功耗、抗震、可靠耐用等特點，同時又具備響應時間短、高速調(diào)制的特性。鑒于上述情況，設計開發(fā)了一種白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要功能是在維持照明的同時，應用高頻閃爍的方法實現(xiàn)設備間的信息和數(shù)據(jù)傳輸，而不對其他射頻通信設備造成干擾，實用性強。

關(guān)鍵詞：可見光通信；串口通信；單片機

中圖分類號：TN929 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2163（2014）05-

The Study of Modulation Technology on White-light LED Wireless Communication

LI Cheng1， CHENG Xiaoxu2， JIANG Qingfeng2， YU Haitao2

（1 Department of Electronic Information Science and Technology， School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150010，China；2 College of Computer Information Science and Technology， Daqing Normal University， Daqing Heilongjiang 163712，China）

Abstract： In present society， information technology is highly developed. A transmission mode，which has high speed and no interference to other transmission mode， is required in military， commercial and civil use. Comparing with the traditional Radio Frequency Communication and other wireless light communication systems， the Visible Light Communication is superior in high transmitting power， no occupying in radio frequency spectrum， no electromagnetic interference （EMI）， no electromagnetic radiation and energy saving.Moreover， white LED use electroluminescence and low voltage， featured in long service life， high light efficiency， high stability， good safety， free radiation and low power consumption. It is anti-seismic， reliable and durable. Simultaneously， it also takes less time to answer and is easier to be modulated. Therefore. the system is designed and created. It can not only be used as light， but also transmit information and data with the help of LEDs high-frequency flicker. Different from other systems， it wont disturb other RF equipments. So， this system is useful.

Key words：Visible Light Communication； Serial Communications； Single Chip Microcomputer

0 引 言

隨著LED 的迅速發(fā)展，白光LED采用電場發(fā)光和低電壓供電，因而具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、兼及無輻射、低功耗、而且抗震、可靠和耐用等技術(shù)特性，此外白光LED還表現(xiàn)了響應時間短、調(diào)制高速的指標特性[1]。在此背景下，借助同時實現(xiàn)照明和通信雙重功能，催生了一門新興的無線通信技術(shù)----可見光通信技術(shù)，并已經(jīng)成為多個國家的研究熱點，尤其引發(fā)關(guān)注的是日本“可視光通信聯(lián)盟”的開創(chuàng)以及美國斥資1.85 億美元、且為期10年的“智能照明”項目的設立和推進。迄今為止，可見光通信大多處于實驗階段，雖然整體系統(tǒng)已有實現(xiàn)，但距離實用階段卻還有一定的距離，系統(tǒng)的各項性能也有待進一步地提高與增強[2]。

我國在該技術(shù)領(lǐng)域也已取得了較大進展，突出成果即如中科院半導體研究所依托中科院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“半導體照明信息網(wǎng)（S2-link）的研究”自主設計研發(fā)的，并已于2009年1月首次實現(xiàn)的采用LED燈作為接入點的互聯(lián)網(wǎng)接入，而且該技術(shù)成果則于2009年11月在上海工博會獲得了成功展示；隨后，2013年2月，半導體研究所成功研制出半導體照明通信系統(tǒng)第三代樣機，其網(wǎng)絡帶寬可達到2Mbit/s，相應地同年5月，半導體照明通信系統(tǒng)即在上海世博會的“航空館”和“滬上·生態(tài)家”進行了整體展示[3]。鑒于以上研究成果，本文將綜合運用串口通信和單片機的功能，以此而實現(xiàn)了完整的無線光通信傳輸系統(tǒng)。

1 總體設計

1.1 系統(tǒng)功能模塊

白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)分為編碼調(diào)制器，電光轉(zhuǎn)換器（即白光LED），光電二極管和解調(diào)解碼器四部分，如圖1所示。

圖1 白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)功能模塊

Fig. 1 Function modules of white-light LED wireless communication system

1.2 信息數(shù)據(jù)傳輸流程

通信方式采用點對點式、全雙工模式[4]。本系統(tǒng)可應用于不同設備中，在此，則利用計算機作為本系統(tǒng)信號的輸入輸出設備，具體的信息數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 信息數(shù)據(jù)傳輸流程

Fig. 2 Process of information data transmission

由圖2可知，由計算機A到計算機B的信息數(shù)據(jù)傳輸過程可表述為：計算機A發(fā)出指令，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機進行編碼調(diào)制，以此控制LED閃爍頻率；LED即將電信號轉(zhuǎn)化為光信號輸出，也就是高頻閃爍；而光電二極管接收數(shù)據(jù)后，則將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸給單片機，單片機解碼解調(diào)后，再將信息數(shù)據(jù)傳輸給計算機B。與其相應地，從計算機B到計算機A的過程亦完全同上，由此從而實現(xiàn)計算機A和計算機B之間的信息數(shù)據(jù)交互。

2 詳細設計

2.1 通信過程設計

編碼調(diào)制器位于單片機上，可將高低電平最終轉(zhuǎn)化為LED不同頻率的閃爍[5]。操作過程為：用AT89S52型號單片機控制LED的閃爍頻率，將外界設備（如，計算機）輸入信號二進制數(shù)據(jù)中的“0”調(diào)制成LED高頻4.8KHz閃爍，將“1”調(diào)制成LED低頻2.4KHz閃爍。

在系統(tǒng)設計中，規(guī)定輸入的信號應采用標準串行通信協(xié)議、并只能以固定的2 400bps波特率進行通信，而且每一幀信號中均標識有1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個校驗位和1個停止位。

在光信號傳輸中，發(fā)射端電光轉(zhuǎn)換器主要采用白光LED[6]。因為白光LED亮度更強，可以首先實現(xiàn)室內(nèi)照明。自始至終，白光LED以固定的占空比（1/2）閃爍，從而實現(xiàn)恒定亮度的照明。

接收端則主要采用光電二極管。接收端是通過光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換，也同樣利用AT89S52型號單片機進行識別，并最終輸出原信號。

2.2 外部電路設計

在光信號傳輸方面，將光電二極管和白光LED混合放置在同一塊電路板上，從而同時實現(xiàn)發(fā)射和接收的功能。為了避免白光LED自身發(fā)光對光電二極管接收造成影響，采用擋板將其光線阻斷，如圖3所示。圖3中央即為光電二極管。

圖3 光電二極管和白光LED在電路中的排列

Fig. 3 Arrangement of photoelectric diode and white-light LED in the circuit

使用光電二極管接收閃爍的光信號，在設備的工作過程中不能出現(xiàn)任何可見光干擾。因此，選用靈敏度較低的光感應電路，并使設備發(fā)光遠強于環(huán)境光，從而去除環(huán)境光造成的干擾。在系統(tǒng)整體設備電路圖中，單片機工作原理電路因篇幅所限而在此省去。

針對編碼調(diào)制和解調(diào)解碼方面，設計的電路圖則如圖4所示。圖中，單片機使用了11.059 2MHz晶振。

圖4通信系統(tǒng)電路

Fig. 4 Circuit of communication system

RS232電平信號經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平信號，由RXD口進入單片機A，單片機A調(diào)制后由P1.0口控制LED閃爍發(fā)送信息；而從對方設備傳來的光信號通過光電二極管轉(zhuǎn)換成電壓信號并由單片機B INT0口接收，解調(diào)后又將原信號由TXD口送出，再經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換成RS232電平信號，從而實現(xiàn)信號在系統(tǒng)中的傳輸和調(diào)制解調(diào)。

利用調(diào)制模塊，采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，多個LED并聯(lián)接入單片機的不同輸出端，接收不同的數(shù)據(jù)且調(diào)制到不同頻率下；相應地，接收端則利用同等數(shù)量的光電二極管進行接收，如此即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率成倍提升。

2.3 程序設計

單片機調(diào)制匯編源代碼，控制單片機實現(xiàn)了將外界設備（即計算機）輸入信號二進制數(shù)據(jù)中的“0”調(diào)制成LED高頻4.8KHz閃爍，而將“1”調(diào)制成LED低頻2.4KHz閃爍。

其后，單片機則解調(diào)匯編源代碼，由此控制單片機實現(xiàn)了將光電二極管接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電平信號。

在使用本系統(tǒng)的設備上（即計算機），通過驗證每一幀數(shù)據(jù)的奇偶校驗位來進行檢錯。串行數(shù)據(jù)從輸入到輸出，將存在最長兩個信號位（即5.4ms）的延遲，但這一現(xiàn)象卻并不會影響串行字節(jié)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。

3 實驗結(jié)果

在構(gòu)建了單方向白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)后，通過設計兩臺計算機間的字符數(shù)據(jù)傳輸，以此來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的通信。

信號發(fā)射設備預定為計算機A，其中采用STC-ISP軟件中的串口助手，如圖5所示。在發(fā)射端，傳輸內(nèi)容為字母、數(shù)字的組合。實驗過程中，需保持白光LED與光電二極管之間距離約為1m。

圖5 電腦A發(fā)送的數(shù)據(jù)

Fig. 5 The data sent by computer A

計算機B接收到的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 電腦B接收的數(shù)據(jù)

Fig. 6 The data received by computer B

實驗證明單方向白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)完全可行，傳輸過程中沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤。為此，只需將調(diào)制解調(diào)模塊有機結(jié)合，即可實現(xiàn)全雙工串行通信。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)易普及和實現(xiàn)。只要融合串口通信的原理，及對單片機的簡單編程，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的完整搭建。并且，在白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)照明的同時，也可進行高速數(shù)據(jù)傳輸，即任何照明系統(tǒng)均將支持高效數(shù)據(jù)傳輸。此外，利用LED無線光通信，并不會對其他設備，如手機的信號造成干擾。只是由于單片機性能原因，目前的系統(tǒng)傳輸速度并未獲得大幅提升。為此，應用電路及其他芯片來改進系統(tǒng)，即已成為無線光通信技術(shù)的未來發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]任鳳娟，孫彥楷.白光LED 可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子質(zhì)量，2010（5）：20-21.

[2]駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光LED 室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J].光通信技術(shù)，2011（2）：56-58.

[3]丁德強，柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導體光電，2006（2）：114-116.

[4]吳承治.可見光通信技術(shù)及應用初探[J].現(xiàn)代傳輸，2012（6）：8-18.

[5]張立，朱娜.基于LED照明燈的室內(nèi)無線光通信雙工系統(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2010.

[6]樊慧萍，葉培大.基于LED的短距離光無線通信系統(tǒng)的設計和編解碼的實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2011.