LED可見光通信發(fā)射與接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李力　丁威

摘要：LED可見光作為一種綠色環(huán)保、低功率、高亮度的照明光，在當(dāng)今人們的日常生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)光通信的基本原理，設(shè)計(jì)出以STC89C52RC單片機(jī)為核心的LED可見光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為LED光信號(hào)的發(fā)射和接收模塊，通過對(duì)LED光信號(hào)的直接調(diào)制和檢測(cè)，并利用串口調(diào)試軟件輔助實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備間的LED光通信，最終實(shí)現(xiàn)了PC間的簡(jiǎn)單單工數(shù)據(jù)通信。

關(guān)鍵詞：可見光通信；LED；STC89C52RC

1 引言

可見光通信作為一種新興的無線通信技術(shù)具有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值，LED可見光通信利用高速閃爍的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制和傳輸，通過光敏檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，最終完成信息的發(fā)送和接收。

當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，人類進(jìn)入了對(duì)信息量需求巨大的“大數(shù)據(jù)、云計(jì)算”時(shí)代，無線射頻通信是目前正在使用的重要無線通信技術(shù)。射頻無線通信廣泛用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，是目前最成熟的通信技術(shù)，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生產(chǎn)和生活習(xí)慣。在未來的無線通信發(fā)展過程中，射頻通信仍將繼續(xù)起著重要作用。

與射頻通信相比，基于LED的可見光通信具有保密性強(qiáng)、對(duì)人體無害、無電磁干擾輻射等優(yōu)點(diǎn)。可見光通信技術(shù)是基于環(huán)保節(jié)能的LED照明光源的無線光通信技術(shù)，隨著科技的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，結(jié)合了LED照明和通信的無線光通信技術(shù)，必將憑借其自身的獨(dú)優(yōu)勢(shì)得到深入廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)原理分析

在可見光通信系統(tǒng)中，在信號(hào)發(fā)生模塊利用STC89C52RC單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路的LED燈陣高頻率閃爍發(fā)射不同信號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼；在信號(hào)接收處理模塊利用STC89C52RC單片機(jī)處理光敏二極管檢測(cè)到的二進(jìn)制閃爍信號(hào)，經(jīng)過譯碼將對(duì)應(yīng)的信息經(jīng)串口發(fā)送給接收端，顯示為可視的原始信號(hào)，上述過程主要基于STC89C52RC單片機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信和點(diǎn)對(duì)PC的串行異步通信，整個(gè)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

2.1 單片機(jī)串口異步通信工作原理

串口通信（Serial Communications）的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

本系統(tǒng)基于單片機(jī)雙機(jī)串行異步通信原理，將所發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，并以此驅(qū)動(dòng)LED燈陣高頻閃爍，雙機(jī)之間不需要連接可視化介質(zhì)作為通信媒介；避免了現(xiàn)有機(jī)間通信采用導(dǎo)線信道的缺點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)接收的效果，突破了以往實(shí)物信道通信過程的瓶頸，具有較高的通信效率和較低的損耗功率。

2.2 單片機(jī)與PC間串行異步通信工作原理

單片機(jī)與PC通信同樣基于串行異步通信原理，PC信號(hào)發(fā)射端借助串口調(diào)試軟件將信息輸入系統(tǒng)信息發(fā)送端，隨后信號(hào)經(jīng)由PC傳向通過USB轉(zhuǎn)串口模塊相連的單片機(jī)，單片機(jī)讀取緩沖區(qū)的二進(jìn)制代碼，并以此驅(qū)動(dòng)LED燈陣高頻閃爍，接著持續(xù)完成單片機(jī)雙機(jī)間通信，信息接收端通信過程則與之相反。

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)概念：能都使單片機(jī)硬件電路正常工作的單元電路系統(tǒng)叫做最小系統(tǒng)；

最小系統(tǒng)構(gòu)成：復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器訪問路徑控制、ISP下載接口、電流源、顯示電路；

本系統(tǒng)中單片機(jī)最小系統(tǒng)工作原理：在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別在信號(hào)發(fā)射板和接收板上增添各自的外圍調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，并向單片機(jī)內(nèi)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的程序，利用最小系統(tǒng)及外圍電路的組合驅(qū)動(dòng)單片機(jī)運(yùn)行程序并由此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成分為兩個(gè)基本模塊：發(fā)射板和接收板，系統(tǒng)組成原理框圖，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)如下。

3.1 發(fā)射端PC機(jī)

用于系統(tǒng)終端輸入和顯示發(fā)射端的發(fā)送信息。

3.2 發(fā)射板USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)模塊

PC機(jī)與單片機(jī)間通信的橋梁，連接PC機(jī)和MCU控制模塊，用于將發(fā)射端串口調(diào)試軟件的輸入信息傳送到MCU控制模塊。

3.3 發(fā)射板MCU控制模塊

MCU模塊為超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)控制模塊，能利用PC機(jī)中送來的數(shù)據(jù)控制和驅(qū)動(dòng)lED驅(qū)動(dòng)電路。

3.4 LED驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊主要由MCU外圍的LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列光源組成。相關(guān)研究顯示，環(huán)境光照度大于1501ux時(shí)，外界環(huán)境光對(duì)傳輸會(huì)形成干擾，當(dāng)環(huán)境光照度小于此門限值時(shí)且光源足夠強(qiáng)時(shí)，環(huán)境光的干擾基本可以忽略哺，因此系統(tǒng)光源采用直徑5mm的3X8LED燈陣列，利用MCU模塊傳送的二進(jìn)制信號(hào)值，采用光強(qiáng)度調(diào)制將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制并發(fā)送出可見光數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動(dòng)電路中，考慮到運(yùn)算放大器的工作頻率比較低，而單一晶體管可以完成百兆赫茲到吉赫茲級(jí)工作，所以系統(tǒng)中LED陣列驅(qū)動(dòng)器件選擇單一晶體管。

3.5 無線光通信信道

如圖3所示是無線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型。

如圖所示，F(xiàn)（t）是發(fā)射板輸入的發(fā)射光，R是接收板光敏檢測(cè)元件的響應(yīng)效率，h（t）是基帶信道的脈沖響應(yīng)，N（t）是光噪聲，Y（t）是輸出光電流，其表達(dá)式為：

Y（t）=RF（t） h（t）+N（t）：

Y（t）跟光敏檢測(cè)器表面接收到的瞬時(shí)光功率的積分成比例關(guān)系。系統(tǒng)信道中的室內(nèi)燈光、陽光等均可視為光噪聲，可以采用光學(xué)濾光片和聚光鏡對(duì)光噪聲進(jìn)行有效削弱。凸透鏡能對(duì)發(fā)射光進(jìn)行聚焦增強(qiáng)，并且能擴(kuò)大光敏檢測(cè)模塊的探測(cè)范圍。同時(shí)利用光學(xué)濾光片濾除雜散光，進(jìn)一步可以提高信道傳輸質(zhì)量，延長通信距離。

3.6 光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊

接收板采用光敏檢測(cè)模塊接收可見光數(shù)據(jù)，利用光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏檢測(cè)模塊采用直接檢測(cè)技術(shù)，將接收到的光信號(hào)經(jīng)光電二極管還原成電信號(hào)。核心器件光電二極管接收到的光強(qiáng)和其自身的有效接收面積成正比，在視距鏈路中，接收端可以采用減小接收板距離或者增加透鏡折射率的方法來增加光電二極管的有效接收面積。

3.7 接收板MCU控制模塊

該模塊的核心器件為STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)，能對(duì)光電接收模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，并將其還原為原始數(shù)據(jù)信息。

3.8 接收板USB轉(zhuǎn)串口模塊

用于連接接收端MCU控制模塊到接收板PC機(jī)USB接口，將MCU控制模塊串口發(fā)出的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)串口調(diào)試助手中進(jìn)行顯示。

3.9 接收端PC機(jī)

用于系統(tǒng)終端顯示接收端的接收信息。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在發(fā)射與接收模塊的設(shè)計(jì)上避免使用大量復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理電路，利用STC89C52RC單片機(jī)作為信號(hào)的發(fā)射與接收控制器，并通過其自身的校驗(yàn)控制方式避免了信號(hào)的誤碼與丟失，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)制解調(diào)電路帶來的加性噪聲干擾，具有高效、可靠、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，能夠方便快捷地應(yīng)用于PC終端間的簡(jiǎn)單通信；以LED可見光作為信號(hào)的傳輸媒介，克服T4#統(tǒng)射頻通信頻譜限制嚴(yán)格的不足，基于LED可見光的通信網(wǎng)絡(luò)易于建立覆蓋、有效可靠。目前，國內(nèi)在此領(lǐng)域正處于研發(fā)階段，國家已啟動(dòng)的“十城萬盞”照明工程也為LED可見光通信的應(yīng)用提供了廣闊空間，可見光通信技術(shù)的必能以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)贏得人們的青睞。