基于STM32的VLC字符傳輸系統

王　濤, 陳善繼

(青海民族大學 物理與電子信息工程學院, 青海 西寧　810007)

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基于STM32的VLC字符傳輸系統

王濤, 陳善繼

(青海民族大學 物理與電子信息工程學院, 青海 西寧810007)

對可見光通信字符傳輸系統進行了改進。與基于51單片機的可見光通信系統相比,改進后的基于STM32的VLC字符傳輸系統具有更小的發射板體積和接收板體積,可以支持更高速率和更多的功能。系統鏈路采用定向式視距信道、光強度調制-直接檢測技術,通過對白光LED的高速調制,利用功能較全面的串口調試軟件觀察了PC機間的LED可見光通信。實驗結果表明,系統在PC機間能夠實現中英文字符的高速單工數據通信。

可見光通信； 字符傳輸； STM32微控制器

可見光通信技術(visible light communication,VLC)是利用高速明暗閃爍的LED燈光實現信息的高速調制和傳輸。德國海因里?！ず掌澩ㄐ殴こ萄芯克O計的VLC系統達到500 Mbit/s的傳輸速率[1]。2012年,Casio發布的蘋果應用程序可以讓用戶利用VLC技術分享照片[2]；2013年,復旦大學遲楠教授團隊實現了傳輸速率3.75 Gbit/s的VLC系統[3]。與傳統的射頻通信相比,VLC技術無電磁干擾、所用頻段不受管制、傳輸速率高、保密性能好,應用前景廣闊[4-7]。隨著我國LED照明燈的推廣應用,研究LED可見光通信技術具有很好的應用價值。室內VCL未來有望取代單一功能的通信系統成為室內無線通信的重要構成[8]。

文獻[9]介紹了基于51單片機的LED可見光通信系統,運用功能較簡單的串口調試軟件實現了英文字符的單工數據通信。但是，該系統采用外接電源供電,系統控制模塊和光源模塊體積較大,控制模塊功能較簡單,波特率設置為600 Bd/s,USB轉串口模塊沒有設計到發射板和接收板上。本文基于STM32的LED可見光單工通信系統,相比于51單片機的LED可見光通信系統有諸多改進:主要是采用USB口供電,USB轉串口模塊小型化并設計到發射板上和接收板上,系統控制模塊采用了體積更小、功能更強大的STM32F103C8T6,波特率設置為9 600 Bd/s,LED光源采用體積更小的貼片LED陣列光源。通過串口調試軟件驗證了中英文字符的可見光通信傳輸。

1　系統組成

系統由發端PC機、發射板、無線光通信信道、接收板、收端PC機組成。發射板主要包括USB轉串口模塊、系統控制模塊、LED驅動模塊及LED光源；接收板主要包括光電接收模塊、系統控制模塊、USB轉串口模塊。系統框圖如圖1所示。采用光強度調制-直接檢測(IM-DD)技術,可以實現兩臺PC機之間的中英文字符可見光通信傳輸。

圖1　系統框圖

(1) PC機。通過串口調試軟件顯示發送數據和接收數據。

(2) USB轉串口模塊。連接發射板(或接收板)系統控制模塊和PC機USB接口,將PC機串口調試助手中發送的數據經轉換后送入系統控制模塊串口,或將系統控制模塊串口發出的數據經轉換后送入PC機串口調試助手中進行顯示。本系統采用CH340G芯片來實現USB協議數據與串口協議數據的轉化功能。CH340G是一個USB總線的轉接芯片,可以實現USB轉串口、USB轉IrDA紅外。數據經USB口發出(或送入),由CH340G來實現協議數據的轉換,實現計算機與可見光通信收發板之間的數據連接。

(3) 系統控制模塊。STC89C52微控制器(MCU)雖然成本低、易控制,但RAM僅為4 KB,處理速度不快,難以用在高速大數據的傳輸中[10]。本系統改用32位微控制器STM32F103C8T6作為系統控制模塊,其內置64 KB程序存儲器、20 KB RAM,采用72 MHz時鐘頻率,具有功能強大、高性能、小體積、低功耗的優點。在發射板上,計算機中寫入的字符串經USB轉串口模塊發送到系統控制模塊,串口部分收到后,將它們轉換為基帶信號序列,進入后續的處理單元[11]。在接收板上,系統控制模塊對光電接收模塊產生的信號進行與發送端相反的處理,然后將處理后的信號送至后續的處理單元進行轉換。

(4) LED驅動模塊及LED光源。系統中光源驅動器件仍然采用結構簡單的單一晶體管LED驅動電路,通過光強度調制將電信號轉換為光信號。發射板白光LED光源采用3個貼片LED構成的陣列,既能滿足亮度需求,又大大減小了LED光源的體積。

(5) 無線光通信信道。室內可見光通信的鏈接方式有定向型鏈路和非定向型鏈路、視距鏈路和非視距鏈路。定向型鏈路中發射器和收發器必須對準,功率利用率高[12]。視距鏈路只接收直射光線,幾乎不受多徑效應的影響[13]。本系統在PC機之間進行短距離的點對點通信,無線光通信信道屬于定向式視距信道鏈路,發射板和接收板之間始終保持對準、無障礙物,多徑效應影響小。

(6) 光電接收模塊?？紤]到PIN光電二極管的光電轉換線性度較好、響應速度較快、價格較低等優勢,所以光電接收模塊核心器件采用普通PIN光電二極管接收可見光,將光信號轉換為電信號。

2　基于STM32的VLC單工數據通信實驗

為實驗方便,在一臺PC機上的兩個USB口之間模擬進行兩臺PC機間的VLC單工數據通信。安裝好驅動程序后,將USB信號線1的一端連接發射板上的接口,另一端連接PC機USB接口1(對應COM9口)；將USB信號線2的一端連接接收板上的接口,另一端連接PC機USB接口2(對應COM10口)(見圖2)。

圖2　基于STM32的VLC單工通信系統實物連接圖

對該系統進行了如下實驗：同時通過串口調試助手軟件觀察高速調制下信號的接收情況。

2.1手動發送實驗

波特率均設置為9 600 Bd/s,在PC機COM9口發送區發送數據“可見光通信測試——中文字符傳輸”。數據手動發送,經過基于STM32的VLC單工通信系統后,PC機COM10口接收區迅速、準確顯示出“可見光通信測試——中文字符傳輸”(見圖3)。

圖3　手動發送實驗結果

2.2自動發送實驗

波特率均設置為9 600 Bd/s,發送數據不變,改用定時發送。數據通過基于STM32的VLC單工通信系統快速傳輸,并在COM10口的接收區準確顯示。

自動發送實驗中如果用書本阻斷無線光通信信道,則COM10口的接收區停止數據顯示。當移出書本時,COM10口的接收區繼續顯示數據。

2.3發送文件實驗

波特率均設置為9 600 Bd/s,在COM9口的發送區選擇打開文件“C:實驗燈光上網不是夢 探究可見光通信.txt”,可以在COM9口的發送區顯示窗口預覽到文件的內容,如圖4(a)所示。發送后,COM10口接收區顯示出文件“燈光上網不是夢探 究可見光通信.txt”的部分內容,實驗觀察結果如圖4(b)所示。

圖4　文件發送與接收顯示結果

實驗中發現,發送的文件在發送區顯示窗口中顯示出了文件的全部內容,但是在接收區顯示窗口中只顯示出了部分內容。

原因分析:采用的串口調試助手軟件有待改進,接收端接收中文字符時,存在不能一次接收所有數據的情況,所以在顯示接收消息的時候,只顯示了最后一部分?？梢钥紤]改進該串口軟件,完善其功能。

3　結語

字符傳輸實驗測試了基于STM32的VLC字符傳輸系統,實驗系統采用多功能、高性能、小體積、低功耗的STM32F103C8T6作為系統控制模塊,利用功能較全面的串口調試助手來實現中英文字符的發送與接收。相對于文獻[9]中基于51單片機的VLC系統,具有更小的體積和更好的功能。實驗結果表明,該系統能夠實現英文字符及中文字符的短距離可見光單工數據通信,但串口調試助手軟件在功能上還有待完善。由于STM32F103C8T6內置有A/D轉換器和/D/A轉換器,故可以通過設計相應的功能模塊,進而實現音頻信號的VLC傳輸。

References)

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Supporting character transmission visible light communication (VLC) system based on STM32

Wang Tao, Chen Shanji

(School of Physics and Electronic Information Engineering,Qinghai Nationafities University,Xining 810007,China)

Compared with the visible light communication(VLC) system based on 51 single-chip,the VLC system based on STM32 has smaller volume of the radiation plate and smaller volume of the receiving plate,it can support higher speed and more functions. System link uses a directional line of sight channel and light intensity modulated-direct detection technology,through white light LED high-speed modulation, the system uses sophisticated serial debugging software to observe the LED visible light communication between PC machines. Experimental results show that the system can achieve high rates of Chinese and English characters simplex data communication between the PC machines.

visible light communication(VLC); character transmission; STM32 micro-controller

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.035

2016-04-24

教育部2014年度“春暉計劃”科研項目(Z2014013)資助；2015年青海省應用基礎研究項目(2015-ZJ-721)資助

王濤(1976—),男,河南武陟,碩士,副教授,主要研究方向為移動通信、可見光通信.

TN929.1；TP368.1

A

1002-4956(2016)10-0139-03