王 濤

(青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810007)

LED可見(jiàn)光無(wú)線通信是一種新興光通信技術(shù)，它利用LED發(fā)出的高速明暗閃爍燈光實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制和傳輸，利用光電二極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，獲取信息［1－4］。

LED可見(jiàn)光無(wú)線通信避免了電磁干擾，而且無(wú)需申請(qǐng)頻段，非常適合應(yīng)用在展示導(dǎo)游、智能型道路交通系統(tǒng)、醫(yī)院、室內(nèi)信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各國(guó)對(duì)此技術(shù)不斷深入研究，LED可見(jiàn)光無(wú)線通信正呈現(xiàn)越來(lái)越大的應(yīng)用價(jià)值［5－6］。日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已在這方面走在前面，德國(guó)研究人員在2010年研制出500 Mbit/s的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，日本更是極力發(fā)展應(yīng)用該技術(shù)，在日本東京舉行的2012尖端技術(shù)展上，可見(jiàn)光通信正向智能機(jī)滲透，以卡西歐為代表的若干家企業(yè)均拿出了將可見(jiàn)光作為信息載體的傳輸技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域正處于研發(fā)階段，國(guó)家已啟動(dòng)的“十城萬(wàn)盞”照明工程為L(zhǎng)ED可見(jiàn)光通信的應(yīng)用提供了廣闊空間。本課題立足于國(guó)內(nèi)可見(jiàn)光通信的現(xiàn)狀，研究了基于51單片機(jī)的LED可見(jiàn)光單工通信系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了LED可見(jiàn)光數(shù)據(jù)通信。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由發(fā)射板、接收板組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。發(fā)射板和接收板經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口模塊連接PC機(jī)，采用光強(qiáng)度調(diào)制一直接檢測(cè)(IM－DD)技術(shù)，進(jìn)行可見(jiàn)光信號(hào)的發(fā)射和接收，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)之間的可見(jiàn)光數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

1)PC機(jī):顯示觀察發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

2)發(fā)射端USB轉(zhuǎn)串口模塊:連接發(fā)射端MCU控制模塊到PC機(jī)USB接口，將PC機(jī)串口調(diào)試助手中發(fā)送的數(shù)據(jù)送入MCU控制模塊串口。

3)發(fā)射端MCU控制模塊:核心器件為超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)，PC機(jī)中送來(lái)的數(shù)據(jù)信息在STC89C52RC單片機(jī)控制下驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)電路［7］。

4)LED驅(qū)動(dòng)模塊:主要由LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列光源組成。研究表明，環(huán)境光照度大于150 lux時(shí)，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［8］，因此系統(tǒng)光源采用直徑5 mm的3×8 LED陣列，用光強(qiáng)度調(diào)制將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光強(qiáng)度信號(hào)隨輸入信號(hào)電流變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制，發(fā)送出可見(jiàn)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。

5)無(wú)線光通信信道:圖2是室內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型［9］。

圖2 室內(nèi)無(wú)線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型

圖2中f(t)是輸入的發(fā)射光，R是光敏元件的響應(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)跟光檢測(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)信道中的太陽(yáng)光、熒光燈燈光等均可視為光噪聲，通過(guò)使用光學(xué)濾光片和聚光鏡可以對(duì)光噪聲進(jìn)行有效削弱。透鏡能對(duì)發(fā)射光進(jìn)行聚焦，同時(shí)能擴(kuò)大光敏元件的接收范圍，光學(xué)濾光片可以濾除雜散光，這些都有利于提高信道傳輸質(zhì)量，延長(zhǎng)通信距離。

6)光電接收模塊:采用光電二極管光接收可見(jiàn)光數(shù)據(jù)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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機(jī)視角或者增加透鏡折射率的方法來(lái)增加光電二極管的有效接收面積［10］。

光電接收模塊采用直接檢測(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)?？紤]到PIN光電二極管與雪崩光電二極管相比，雖然PIN光電二極接收靈敏度較低，但PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好，工作電壓較低，響應(yīng)速度快，價(jià)格也較低，所以系統(tǒng)中選擇PIN光電二極管。

7)接收端MCU控制模塊:核心器件為超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)，對(duì)光電接收模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)成數(shù)據(jù)信息。

8)接收端USB轉(zhuǎn)串口模塊:連接接收端MCU控制模塊到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。

2 基于51單片機(jī)的VLC系統(tǒng)單工通信實(shí)驗(yàn)

USB轉(zhuǎn)串口模塊1一端連接好發(fā)射板上單片機(jī)的接口后，對(duì)發(fā)射板加電，另一端通過(guò)USB接口連接PC機(jī)COM3口。USB轉(zhuǎn)串口模塊2一端連接好接收板上單片機(jī)的接口后，對(duì)接收板加電，另一端通過(guò)USB接口連接PC機(jī)COM4口，電路實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 基于51單片機(jī)的VLC單工通信系統(tǒng)電路實(shí)物圖

利用PC機(jī)中串口調(diào)試助手，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，在高速調(diào)制下觀察了信號(hào)的傳輸接收狀況。

1)手動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)。波特率均設(shè)置為600，在PC機(jī)COM3口發(fā)送區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)“Visible Light Communication!My Visible Light Communication!ok!!”，數(shù)據(jù)手動(dòng)發(fā)送，經(jīng)過(guò)基于51單片機(jī)的VLC單工通信系統(tǒng)后，PC機(jī)COM4口接收區(qū)迅速準(zhǔn)確顯示出“Visible Light Communication!My Visible Light Communication!ok!!”。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖4所示。

圖4 手動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)結(jié)果(截圖)

2)自動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)。波特率均設(shè)置為600，發(fā)送數(shù)據(jù)不變，將手動(dòng)發(fā)送改為自動(dòng)發(fā)送，自動(dòng)發(fā)送周期設(shè)置為10 ms，數(shù)據(jù)可以通過(guò)基于51單片機(jī)的VLC單工通信系統(tǒng)快速傳輸，并準(zhǔn)確顯示在COM4口的接收區(qū)。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖5所示。

自動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)中如果用遮擋物(如書(shū)本)阻斷無(wú)線光通信信道，則雖然發(fā)射板仍在快速發(fā)送光信號(hào)，但COM4口的接收區(qū)無(wú)任何數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)移出遮擋物時(shí)，COM4口的接收區(qū)繼續(xù)顯示數(shù)據(jù)，這說(shuō)明觀察顯示到的數(shù)據(jù)是從光信道傳輸后收到的。

圖5 自動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)結(jié)果(截圖)

3)發(fā)送文件實(shí)驗(yàn)。波特率均設(shè)置為600，在COM3口的發(fā)送區(qū)選擇發(fā)送文件“C:COMDATA1.txt”，發(fā)送文件后，COM4口接收區(qū)準(zhǔn)確顯示出“1.txt”的內(nèi)容:My VLC。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖6所示。

圖6 發(fā)送文件實(shí)驗(yàn)結(jié)果(截圖)

3 結(jié)論

本文針對(duì)LED可見(jiàn)光進(jìn)行了基于51單片機(jī)的VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行控制，利用串口調(diào)試助手來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的發(fā)送與接收，系統(tǒng)具有較小的體積和較低的成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的單工數(shù)據(jù)通信。

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