基于大功率白光LED的可見光通信

摘 要： 該設計是基于STM32的大功率白光LED可見光通信系統，白光從發送到接收傳輸距離最高可達5 m。可傳輸頻率為300 Hz～8 kHz的模擬信號及高保真音頻，波特率可達1.6 Mb/s，輸出信號在示波器上無明顯失真。該系統具備雙信道通信，兩路信道同時均可傳輸300 Hz～8 kHz的模擬信號。由從站LCD12864液晶顯示當前單信道通信或雙信道通信。模擬信號經傳輸后在示波器上顯示無明顯失真。模擬信號為8倍采樣，音頻為6倍采樣，采樣信號經上拉放大后由12位A/D轉換器采樣，經過△壓縮后由主站通過白光LED發射。接收站通過光電接收管接收信號后經解碼、D/A轉換，轉換為模擬信號，模擬信號經濾波放大后輸出至示波器或音頻放大器。

關鍵詞： STM32白光通信； A/D轉換器； D/A轉換器； △編碼； 雙信道通信

中圖分類號： TN929.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）13?0039?03

Abstract： The visible light communication system is based on STM32 high?power white light LED， whose transmission distance from transmitting to receiving of white light can reach as far as 5 m. The system can transmit 300 Hz～8 kHz analog signal and high fidelity audio?frequency. Its baud rate is up to 1.6 Mb/s. The output signal has no obvious distortion on oscilloscope. Analog signal takes octuple sampling， and audio?frequency signal takes sextuple sampling. The signal was sampled by 12?bit A/D converter after pulling up and amplifying， and emitted by the principal station through white light LED after △ compression. The signal is received by the receiving station through photoelectric receiving tube， and then converted into analog signal by decoding and D/A converting. The analog signal is output to oscilloscope or audio frequency amplifier after filtering and amplifying.

Keywords： STM32 white light communication； A/D converter； D/A converter； △coding； dual?channel communication

0 引 言

德國柏林的海因里希赫茲、弗朗禾費通信研究所的GelenaGrubor和KlausDieter Langer提出用白光LED進行寬帶信息傳輸。他們首先提出了大功率白光LED因調制帶寬有限而限制了傳輸速率，因而他們研究的重點在于如何提高調制帶寬，提出了多電平調制方法，該觀點比較切合實際。Bremen大學的HanyElgala主張采用強度調制方法對LED進行調制，同樣提出了正交頻分復用技術用于可見光通信。南洋理工大學的DamonW.K.Wong和GeorgeChen從光源的模型出發，提出了白光LED的布局存在最優分布的觀點，并且設計出實驗系統既可以照明又可以發射1 kHz正弦信號。

國內在白光LED照明通信研究領域相對于國外較晚，2006年以來成為研究的熱點，主要研究成果發表于2008年，且大部分集中在理論方面研究。最早的文獻見于2006年2月的半導體光電雜志，西安理工大學柯熙政和丁德強對LED可見光通信的關鍵技術進行了探討。2006年6月杭州電子科技大學的周洋研究了LED可見光無線通信的現狀和發展方向[1]。2009年華南師范大學劉宏展在光無線通信上發表了白光LED照明的可見光通信的現狀及發展。

1 方案論證

1.1 系統控制芯片

方案一：STC89C52，8位MCU。該芯片操作簡單，庫函數豐富，價格低廉，成本低，易控制，但RAM僅為4 KB，處理速度不快，難以用在精密控制、精密測量以及高速大數據的傳輸中。

方案二：MSP430，16位MCU。該芯片低功耗，節能，具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor），適用于便攜式儀器儀表中，主頻為8 MHz，無法倍頻，故處理速度相對較慢，I/O口翻轉速度較難滿足發射速度。

方案三：STM32增強型，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用設計的ARM Cortex?M3內核。增強型系列時鐘頻率達到72 MHz，是同類產品中性能最高的產品。內置32～128 KB的閃存，SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率為72 MHz時，I/O可以滿足音頻發射速度，STM32功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產品，相當于0.5 mA/MHz。

綜合以上分析選擇方案三。

1.2 A/D轉換/D/A轉換的論證與選擇

方案一：STM32內置A/D轉換/D/A轉換，無需復雜的外圍電路，無需額外提供電源，使用方便，實踐表明，使用片內轉換器，經白光傳輸的信號噪聲較大，如圖1所示。

方案二：使用片外12位的A/D轉換/D/A轉換器，外圍電路較為復雜，需額外提供電源，編碼簡單，傳輸速度快，實踐表明，使用片外轉換器，經白光傳輸的信號噪聲小，如圖2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、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點，廣泛應用于錄音機和收音機中。

方案二：NE5532，電壓適應范圍非常寬，從±3～ ±20 V都能正常工作。聲音特點總體來說屬于溫暖細膩型，驅動力強，但高音略顯毛糙，低音偏肥，而且價格比較貴。

方案三：AD827，此芯片增益帶寬達50 MHz，SR達到300 V/μs， 高頻、低頻音質非常好無明顯失真。且在±5 V的供電下仍有優異的性能。價格昂貴，用在此系統中不經濟。

綜上分析選擇方案一。

1.4 光電器件的選擇

方案一：650 nm激光接收頭。當今主流照明白光LED為“單色光+熒光粉”的形式。熒光粉激發出大量紅光，紅光波長為622～770 nm，激光接收頭的接收波長約為650 nm，這樣能消除大部分外界光源的干擾，能提升系統的抗干擾能力。而且激光接收頭價格低廉，接收頻率高，操作簡單。

方案二：半導體光電傳感器。接收光線波長較廣，對可見光靈敏度高，選擇性較差。系統傳輸速率高達1.6 Mb/s，而高速器件的價格較高，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轉換后的模擬信號只有幾十mV，人耳聽不清，所以要加一個放大電路，將電壓放大，驅動喇叭，電容[C4]作用為隔直流，還原交流信號，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開關電源調節器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅動電流。該器件內部集成頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150 kHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。

計算公式為：

[Vout=Vref1+（R1+R2）R3]

式中[Vref=1.23 V。]

2.3 A/D采樣電路

該電路可以提升音頻模擬信號的整體電壓值，使電壓最小值大于0 V，方便A/D采樣，如圖4所示。

3 流程圖

系統整體流程圖，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 相關參數計算說明

4.1 帶通濾波器

人耳聽到的聲音頻率范圍為20 Hz～20 kHz，所以帶通應為20 Hz～20 kHz。高通濾波部分為使信號衰減小，所以[R1]應盡量大，選[R1]為68 kΩ，輸入音頻信號應不高于200 mV，所以衰減的信號在μA級，由[f=1（2πRC）]知，此時[C=1（2πfR）=0.1 μF。]低通濾波部分為了保持信號，所以[R2]應盡量小，選為680 Ω，由[f=][1（2πRC）]知，此時[C=1（2πfR）=0.02] μF，帶通濾波如圖8所示。

5 系統調試

5.1 硬件調試

先在面包板上搭建功放電路，然后由手機播放音頻，調試外圍元件參數，直到音頻無失真為止。調整好參數后焊接電路，進行聯調。

由于A/D轉換只能采集正電壓，然后濾波，根據香農采樣定理使用六倍頻采樣，確保能準確還原波形，所以需要對音頻信號的模擬信號進行上拉電壓，將整體電壓上拉到0 V以上，接收站收到信號后進行D/A轉換，再由減法器還原原音頻的模擬信號。

5.2 軟件調試

信號發射端：首先通過ADC采樣，將12位采樣數據分解成兩個字節，在每個字節的前兩位加上引導碼，以方便接收端對數據進行識別。再通過△壓縮編碼，先將分解后的原碼通過串口發送出去，下一次將采樣的數據與原碼做差，將差值通過串口發送出去。利用△編碼后，每傳輸兩次采樣值可節省1個字節，加快了通信的速率。同時，本設計可切換為雙路通信，軟件采用時分復用的辦法，將兩個通道的數據交叉傳輸，并通過自定義的通道切換碼進行不同通道之間的切換。

信號接收端：首先通過串口中斷不斷進行數據的接收，將接收的已被△編碼的數據進行解碼，隨后將解碼的數據寫入DAC并輸出相應的模擬量。當接收到通道切換碼時，接收端即刻轉換為雙通道工作模式，將接收到的不同通道的數據進行分別解碼，并通過不同的DAC輸出相應的模擬量。

6 測 試

（1） 1 kHz正弦波輸出波形（上）與原波形（下）相比較基本無失真，如圖9所示。

（2） 8 kHz方波輸出波形（上）與輸入波形（下）相比較基本無失真，如圖10所示。

音頻信號無明顯規律，無法用示波器直接判斷失真與否，經測試人耳聽不出噪聲，音質優美。

7 結 論

通過本次系統的設計制作，熟練應用并掌握了大功率白光通信原理，熟練運用了壓縮編碼的通信方式。另外了解到理論與實踐確實有些差距，比如高通、低通濾波時，理論計算的數值并不是抑制噪聲最佳的數值，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，以及導線的電感效應。在代碼編寫方面，體會到代碼實時性的重要，代碼編寫要簡介明了，杜絕程序冗雜，提高代碼的穩定性。

參考文獻

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