LED可見光通信系統中的程序設計

【摘要】介紹了所設計的LED可見光通信系統的發射端及接收端程序設計概況，對程序設計中若干關鍵問題處理方法及注意事項做了闡述，并對實驗中遇到問題的可能原因進行了討論。

【關鍵詞】可見光通信;發射端;接收端;程序設計

1.引言

可見光LED具有高亮度，損耗低，壽命長等特點，可見光通信Visible Light Communication（VLC）是一種建立在白光LED高速發光響應特性基礎上的新興光無線通信技術[1]，通過使光以人眼無法感知的頻率進行閃爍的方法來傳送數據，通信速率可達數百兆每秒。在提供照明的同時，也實現了短距離無線通信的目的。這項技術可以把通信能力構建在LED照明之中減輕RF頻帶的擁擠程度并為光通信提供一種全新的寬帶接入方式[2，3]， 與射頻無線通信相比VLC具有無電磁干擾發射功率高信道容量大和設備兼容性好等突出優點將很有可能成為光無線通信領域的一個新的增長點，具有非常有價值的應用前景。

仿真構建了以溫度數據作為傳輸信息的可見光通信系統，以兩片單片機為基礎，在發射端，通過溫度采集模塊采集到的溫度信息，經單片機內部PPM編碼，傳送給恒流源驅動電路。經恒流源電路控制連接的LED，在保證自身照明功能的同時通過PWM調光發送數據。在接收端，通過光電探測器接收光信號，完成光/電信號的轉換，最后解調轉換過來的電信號并將其輸出，從而實現了通信功能。該通信系統的構建是在相應程序設計基礎上實現的，現將發射端和接收端的程序設計做一介紹。

2.發射端程序設計

發射端采用時分復用技術傳輸二進制數據，其整體流程如圖1所示。

圖1 發射端整體工作流程框圖

（1）單片機定時器的選擇與對應程序編碼

定時器1在程序中的工作方式為“方式1”，即定時時間從0到65536，共65536μs。定時器1的選擇是用它來將信號調制為頻率為38KHZ的高頻載波，從而保證信號在傳遞的過程中減小失真。38KHZ對應的單位時間為26μs。因為38KHZ的高頻信號為占空比50%的方波信號，所以它的上升沿和下降沿的時間均為13μs。所以定時器1的初始設定為：

TH1=（65536-13）/256 ? ? ? ? ? ? （1）

TL1=（65536-13）%256 ? ? ? ? ? ? （2）

定時器0在程序中的工作方式為“方式2”，即定時時間從0到256，共256μs。它的作用是用來確定PPM編碼的周期時間。所以定義的PPM碼中，預先設定的決定PPM碼周期長短的單位“bb”就可以表示為256μs乘以定時器中斷0中的預設參數“aa”的數值。而“bb”最終決定了LED的發光頻率和閃爍方式。

根據PPM編碼的原理，添加了用于接收端判斷是否開始接收信息的起始碼。并編寫了“0”和“1”的發射函數，用來定義。

定義PPM碼的“0”碼程序如下，其中變量“cc”表示了信號的高低變化。C語言程序如下：

void write0（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<2）

cc=0;

}

定義PPM碼的“1”碼程序如下：

void write1（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<3）

cc=0;

}

定義PPM碼的起始碼程序如下：

void begin（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<7）

cc=0;

}

圖2為傳輸溫度數據24（oC）時的程序仿真波形圖。

圖2 傳輸溫度數據24的PPM碼程序仿真波形圖

從程序中，無論是哪種碼，當cc=1的時候，它的持續時間只有bb的1個單位，即5ms。而這三種碼真正的區別是當cc=0，也就是電信號為低的時候，它們的持續時間各不相同。通過外部電路的調整就可以將這樣的電信號用來控制LED亮或者滅的持續時間，從而來表示起始碼，“0”碼，和“1”碼。

（2）定義9位數組

當信號不斷的被定義成PPM碼的同時，還需要定義一個字，即8位的發射函數，用來包含0和1，以及1位的起始碼。

定義8位攜帶數據的位方式如下：

void write（uchar a）

{

uchar i;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（a&0x01）

write1（）;

else

write0（）;

a=a>>1;

}}

3.接收端程序設計

接收端整體流程見圖3所示。

圖3 接收端程序工作流程框圖

經過單片機外部對接收到的信號調制以后，需要計算上升沿延時長短。當然，接收端用來判斷時間的數據是需要和發送端對應的。根據延時時間的不同，分辨出引導碼，0碼，和1碼即可。令定時器0中工作在“方式1”，確定了接收端單片機的工作單位時間。

（1）接收引導碼

根據發射端定義的起始碼，當光照30ms之后停止了5ms的時候，則確認接受到了起始碼，然后開始連續的接收接下來的信息。為了避免在實際電路連接制作中存在的延時以及誤差，所以在接收端的程序設計中，將起始碼以及“0”碼，“1”碼的判定時間均稍微加以延長，以便接收端能夠在系統存在延時的情況下正確的接收信息。

程序如下：

if（TIME>30500）

return 0;

if（TIME<29500）

return 0;

for（i=0;i<7;i++）

（2）8位數組存儲

將分析占空比后轉化出的0，1碼存儲到一個8位數組中，當存儲滿后，分別送給兩個數碼管顯示。在這里需要特別注意的是，由于發射端在每次發送起始碼之前需要在主程序中開啟定時器，需要消耗幾毫秒的時間，這也就會影響起始碼前一位碼的低電平延時。所以第8位碼的發送會引起一定的誤差（如圖2所示），這是系統產生的不可避免的誤差。由于傳遞的溫度信息數據一般不會高于128，所以在接收端強制設定單片機接收7位信號，忽略了第8位數據的接收。

4.結論與討論

（1）關于定時器

為了保證LED的閃爍不被肉眼所察覺，根據肉眼分辨的最大頻率為50HZ，即一周期的時間為20ms。所以時間最長的引導碼持續時間需要小于20ms。計算公式為：

bb×6<20ms;bb=aa×10;aa=256μs

（2）關于PPM編碼

當調制的PPM編碼波形處于低電平的時候，載波此時也一定要處于低電平，否則就會出現載波影響調制波的情況。所以在PPM調制波形變為低電平之后，一定要強制令載波處于低電平，即關閉定時器1，并關閉控制LED的單片機I/O端口，從而使得載波不影響發射的波形，否則載波會根據調制波消失前的最后一個周期的高低電平位置繼續延遲。

（3）關于系統傳輸數據的誤差

由于在系統中，單片機打開定時器需要消耗一定的時間，所以當傳輸速率過高時，即使開啟定時器的時間很短，也會對傳輸系統造成很大的誤差。如何完善電路設計，克服單片機自身的缺點，減小系統傳輸數據的誤差，還有待進一步的研究與實驗。

參考文獻

[1]KOMINE T，NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004，50（1）：100-107.

[2]DOUSEKI T.A battery less optical-wireless system with white LED illumination[C].15th IEEE Internationa1 Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2004：2529-2533.

[3]曉野.用燈光上網[J].百科知識，2014（11）：25-26.

[4]楊立偉，侯聰.基于白光LED的可見光通信技術研究[J].電信網技術，2013（12）：33-37.

[5]熊飛嶠，敖邦乾.白光LED可見光無線通信系統的研究[J].無線光通信，2013（1）：60-62.

[6]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者簡介：陳博昊（1992—），男，遼寧沈陽人，大學本科，現就讀于沈陽工業大學信息科學與工程學院。