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  • 基于大功率白光LED的可见光通信

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    • 更新时间2015-09-11
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    宋其岩,赵阳,刘福有,杨婧

    (山东师范大学物理与电子科学学院,山东济南250358)

    摘要:该设计是基于STM32的大功率白光LED可见光通信系统,白光从发送到接收传输距离最高可达5 m??纱淦德饰?00 Hz~8 kHz的模拟信号及高保真音频,波特率可达1.6 Mb/s,输出信号在示波器上无明显失真。该系统具备双信道通信,两路信道同时均可传输300 Hz~8 kHz的模拟信号。由从站LCD12864液晶显示当前单信道通信或双信道通信。模拟信号经传输后在示波器上显示无明显失真。模拟信号为8倍采样,音频为6倍采样,采样信号经上拉放大后由12位A/D转换器采样,经过△压缩后由主站通过白光LED发射。接收站通过光电接收管接收信号后经解码、D/A转换,转换为模拟信号,模拟信号经滤波放大后输出至示波器或音频放大器。

    教育期刊网 http://www.jyqkw.com
    关键词 :STM32白光通信;A/D转换器;D/A转换器;△编码;双信道通信

    中图分类号:TN929.1?34 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)13?0039?03

    收稿日期:2014?11?23

    0 引言

    德国柏林的海因里希赫兹、弗朗禾费通信研究所的GelenaGrubor 和KlausDieter Langer 提出用白光LED 进行宽带信息传输。他们首先提出了大功率白光LED因调制带宽有限而限制了传输速率,因而他们研究的重点在于如何提高调制带宽,提出了多电平调制方法,该观点比较切合实际。Bremen大学的HanyElgala主张采用强度调制方法对LED 进行调制,同样提出了正交频分复用技术用于可见光通信。南洋理工大学的DamonW.K.Wong 和GeorgeChen 从光源的模型出发,提出了白光LED的布局存在最优分布的观点,并且设计出实验系统既可以照明又可以发射1 kHz正弦信号。

    国内在白光LED照明通信研究领域相对于国外较晚,2006年以来成为研究的热点,主要研究成果发表于2008 年,且大部分集中在理论方面研究。最早的文献见于2006年2月的半导体光电杂志,西安理工大学柯熙政和丁德强对LED 可见光通信的关键技术进行了探讨。2006年6月杭州电子科技大学的周洋研究了LED可见光无线通信的现状和发展方向[1]。2009 年华南师范大学刘宏展在光无线通信上发表了白光LED照明的可见光通信的现状及发展。

    1 方案论证

    1.1 系统控制芯片

    方案一:STC89C52,8 位MCU。该芯片操作简单,库函数丰富,价格低廉,成本低,易控制,但RAM 仅为4 KB,处理速度不快,难以用在精密控制、精密测量以及高速大数据的传输中。

    方案二:MSP430,16 位MCU。该芯片低功耗,节能,具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor),适用于便携式仪器仪表中,主频为8 MHz,无法倍频,故处理速度相对较慢,I/O 口翻转速度较难满足发射速度。

    方案三:STM32增强型,32位MCU。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的要求专为嵌入式应用设计的ARM Cortex?M3 内核。增强型系列时钟频率达到72 MHz,是同类产品中性能最高的产品。内置32~128 KB的闪存,SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时钟频率为72 MHz 时,I/O 可以满足音频发射速度,STM32功耗36 mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5 mA/MHz。

    综合以上分析选择方案三。

    1.2 A/D转换/D/A转换的论证与选择

    方案一:STM32内置A/D转换/D/A转换,无需复杂的外围电路,无需额外提供电源,使用方便,实践表明,使用片内转换器,经白光传输的信号噪声较大,如图1所示。

    综上分析选择方案二。

    1.3 功放电路

    方案一:LM386,是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机中。

    方案二:NE5532,电压适应范围非???,从±3~±20 V 都能正常工作。声音特点总体来说属于温暖细腻型,驱动力强,但高音略显毛糙,低音偏肥,而且价格比较贵。

    方案三:AD827,此芯片增益带宽达50 MHz,SR 达到300 V/μs,高频、低频音质非常好无明显失真。且在±5 V 的供电下仍有优异的性能。价格昂贵,用在此系统中不经济。

    综上分析选择方案一。

    1.4 光电器件的选择

    方案一:650 nm 激光接收头。当今主流照明白光LED为“单色光+荧光粉”的形式。荧光粉激发出大量红光,红光波长为622~770 nm,激光接收头的接收波长约为650 nm,这样能消除大部分外界光源的干扰,能提升系统的抗干扰能力。而且激光接收头价格低廉,接收频率高,操作简单。

    方案二:半导体光电传感器。接收光线波长较广,对可见光灵敏度高,选择性较差。系统传输速率高达1.6 Mb/s,而高速器件的价格较高,不利于成本控制。综合以上分析,选择方案一。

    2 主要单元电路

    2.1 音频功放电路

    由于D/A 转换后的模拟信号只有几十mV,人耳听不清,所以要加一个放大电路,将电压放大,驱动喇叭,电容C4 作用为隔直流,还原交流信号,隔离采样电路中加法器上拉的直流电压,如图3所示。

    2.2 电源电路

    LM2596开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3 A的驱动电流。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150 kHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。

    计算公式为:

    3 流程图

    系统整体流程图,如图5所示。程序流程图如图6所示。程序编码流程图如图7所示。

    4 相关参数计算说明

    4.1 带通滤波器

    人耳听到的声音频率范围为20 Hz~20 kHz,所以带通应为20 Hz~20 kHz。高通滤波部分为使信号衰减小,所以R1 应尽量大,选R1 为68 kΩ,输入音频信号应不高于200 mV,所以衰减的信号在μA 级,由f = 1 (2πRC)知,此时C = 1 (2πfR) = 0.1 μF。低通滤波部分为了保持信号,所以R2 应尽量小,选为680 Ω,由f = 1 (2πRC)知,此时C = 1 (2πfR) =0.02 μF,带通滤波如图8所示。

    5 系统调试

    5.1 硬件调试

    先在面包板上搭建功放电路,然后由手机播放音频,调试外围元件参数,直到音频无失真为止。调整好参数后焊接电路,进行联调。

    由于A/D 转换只能采集正电压,然后滤波,根据香农采样定理使用六倍频采样,确保能准确还原波形,所以需要对音频信号的模拟信号进行上拉电压,将整体电压上拉到0 V 以上,接收站收到信号后进行D/A 转换,再由减法器还原原音频的模拟信号。

    5.2 软件调试

    信号发射端:首先通过ADC采样,将12位采样数据分解成两个字节,在每个字节的前两位加上引导码,以方便接收端对数据进行识别。再通过△压缩编码,先将分解后的原码通过串口发送出去,下一次将采样的数据与原码做差,将差值通过串口发送出去。利用△编码后,每传输两次采样值可节省1个字节,加快了通信的速率。

    同时,本设计可切换为双路通信,软件采用时分复用的办法,将两个通道的数据交叉传输,并通过自定义的通道切换码进行不同通道之间的切换。

    信号接收端:首先通过串口中断不断进行数据的接收,将接收的已被△编码的数据进行解码,随后将解码的数据写入DAC并输出相应的模拟量。当接收到通道切换码时,接收端即刻转换为双通道工作模式,将接收到的不同通道的数据进行分别解码,并通过不同的DAC输出相应的模拟量。

    6 测试

    (1)1 kHz正弦波输出波形(上)与原波形(下)相比较基本无失真,如图9所示。

    (2)8 kHz方波输出波形(上)与输入波形(下)相比较基本无失真,如图10所示。

    音频信号无明显规律,无法用示波器直接判断失真与否,经测试人耳听不出噪声,音质优美。

    7 结论

    通过本次系统的设计制作,熟练应用并掌握了大功率白光通信原理,熟练运用了压缩编码的通信方式。另外了解到理论与实践确实有些差距,比如高通、低通滤波时,理论计算的数值并不是抑制噪声最佳的数值,需要考虑到电路中其他器件的影响,比如在三极管的电路中,在高频范畴要考虑到极间电容的影响,以及导线的电感效应。在代码编写方面,体会到代码实时性的重要,代码编写要简介明了,杜绝程序冗杂,提高代码的稳定性。

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    参考文献

    [1] 刘文生,李锦林.取样技术原理与应用[M].北京:科学出版社,1981.

    [2] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2002.

    [3] 陈永真,韩梅,陈之勃.硬件电路设计精解[M].北京:电子工业出版社,2009.

    [4] 刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2013.

    [5] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2013.

    [6] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2010.

    [7] 阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.