李程

摘 要：在信息化高度發(fā)展的今天，無論軍用，商用或是民用，均需要高速傳輸且不對(duì)外界造成任何干擾。與傳統(tǒng)的射頻通信以及其它無線光通信系統(tǒng)相比較，可見光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾和無電磁輻射、節(jié)約能源等諸多優(yōu)點(diǎn)。而白光LED采用電場(chǎng)發(fā)光和低電壓供電，具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射、低功耗、抗震、可靠耐用等特點(diǎn)，同時(shí)又具備響應(yīng)時(shí)間短、高速調(diào)制的特性。鑒于上述情況，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要功能是在維持照明的同時(shí)，應(yīng)用高頻閃爍的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的信息和數(shù)據(jù)傳輸，而不對(duì)其他射頻通信設(shè)備造成干擾，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：可見光通信；串口通信；單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2014）05-

The Study of Modulation Technology on White-light LED Wireless Communication

LI Cheng1， CHENG Xiaoxu2， JIANG Qingfeng2， YU Haitao2

（1 Department of Electronic Information Science and Technology， School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150010，China；2 College of Computer Information Science and Technology， Daqing Normal University， Daqing Heilongjiang 163712，China）

Abstract： In present society， information technology is highly developed. A transmission mode，which has high speed and no interference to other transmission mode， is required in military， commercial and civil use. Comparing with the traditional Radio Frequency Communication and other wireless light communication systems， the Visible Light Communication is superior in high transmitting power， no occupying in radio frequency spectrum， no electromagnetic interference （EMI）， no electromagnetic radiation and energy saving.Moreover， white LED use electroluminescence and low voltage， featured in long service life， high light efficiency， high stability， good safety， free radiation and low power consumption. It is anti-seismic， reliable and durable. Simultaneously， it also takes less time to answer and is easier to be modulated. Therefore. the system is designed and created. It can not only be used as light， but also transmit information and data with the help of LEDs high-frequency flicker. Different from other systems， it wont disturb other RF equipments. So， this system is useful.

Key words：Visible Light Communication； Serial Communications； Single Chip Microcomputer

0 引 言

隨著LED 的迅速發(fā)展，白光LED采用電場(chǎng)發(fā)光和低電壓供電，因而具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、兼及無輻射、低功耗、而且抗震、可靠和耐用等技術(shù)特性，此外白光LED還表現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間短、調(diào)制高速的指標(biāo)特性[1]。在此背景下，借助同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明和通信雙重功能，催生了一門新興的無線通信技術(shù)----可見光通信技術(shù)，并已經(jīng)成為多個(gè)國家的研究熱點(diǎn)，尤其引發(fā)關(guān)注的是日本“可視光通信聯(lián)盟”的開創(chuàng)以及美國斥資1.85 億美元、且為期10年的“智能照明”項(xiàng)目的設(shè)立和推進(jìn)。迄今為止，可見光通信大多處于實(shí)驗(yàn)階段，雖然整體系統(tǒng)已有實(shí)現(xiàn)，但距離實(shí)用階段卻還有一定的距離，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能也有待進(jìn)一步地提高與增強(qiáng)[2]。

我國在該技術(shù)領(lǐng)域也已取得了較大進(jìn)展，突出成果即如中科院半導(dǎo)體研究所依托中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)（S2-link）的研究”自主設(shè)計(jì)研發(fā)的，并已于2009年1月首次實(shí)現(xiàn)的采用LED燈作為接入點(diǎn)的互聯(lián)網(wǎng)接入，而且該技術(shù)成果則于2009年11月在上海工博會(huì)獲得了成功展示；隨后，2013年2月，半導(dǎo)體研究所成功研制出半導(dǎo)體照明通信系統(tǒng)第三代樣機(jī)，其網(wǎng)絡(luò)帶寬可達(dá)到2Mbit/s，相應(yīng)地同年5月，半導(dǎo)體照明通信系統(tǒng)即在上海世博會(huì)的“航空館”和“滬上·生態(tài)家”進(jìn)行了整體展示[3]。鑒于以上研究成果，本文將綜合運(yùn)用串口通信和單片機(jī)的功能，以此而實(shí)現(xiàn)了完整的無線光通信傳輸系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能模塊

白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)分為編碼調(diào)制器，電光轉(zhuǎn)換器（即白光LED），光電二極管和解調(diào)解碼器四部分，如圖1所示。

圖1 白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)功能模塊

Fig. 1 Function modules of white-light LED wireless communication system

1.2 信息數(shù)據(jù)傳輸流程

通信方式采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式、全雙工模式[4]。本系統(tǒng)可應(yīng)用于不同設(shè)備中，在此，則利用計(jì)算機(jī)作為本系統(tǒng)信號(hào)的輸入輸出設(shè)備，具體的信息數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

圖2 信息數(shù)據(jù)傳輸流程

Fig. 2 Process of information data transmission

由圖2可知，由計(jì)算機(jī)A到計(jì)算機(jī)B的信息數(shù)據(jù)傳輸過程可表述為：計(jì)算機(jī)A發(fā)出指令，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行編碼調(diào)制，以此控制LED閃爍頻率；LED即將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)輸出，也就是高頻閃爍；而光電二極管接收數(shù)據(jù)后，則將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)解碼解調(diào)后，再將信息數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)B。與其相應(yīng)地，從計(jì)算機(jī)B到計(jì)算機(jī)A的過程亦完全同上，由此從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)A和計(jì)算機(jī)B之間的信息數(shù)據(jù)交互。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 通信過程設(shè)計(jì)

編碼調(diào)制器位于單片機(jī)上，可將高低電平最終轉(zhuǎn)化為LED不同頻率的閃爍[5]。操作過程為：用AT89S52型號(hào)單片機(jī)控制LED的閃爍頻率，將外界設(shè)備（如，計(jì)算機(jī)）輸入信號(hào)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的“0”調(diào)制成LED高頻4.8KHz閃爍，將“1”調(diào)制成LED低頻2.4KHz閃爍。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，規(guī)定輸入的信號(hào)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)串行通信協(xié)議、并只能以固定的2 400bps波特率進(jìn)行通信，而且每一幀信號(hào)中均標(biāo)識(shí)有1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)校驗(yàn)位和1個(gè)停止位。

在光信號(hào)傳輸中，發(fā)射端電光轉(zhuǎn)換器主要采用白光LED[6]。因?yàn)榘坠釲ED亮度更強(qiáng)，可以首先實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明。自始至終，白光LED以固定的占空比（1/2）閃爍，從而實(shí)現(xiàn)恒定亮度的照明。

接收端則主要采用光電二極管。接收端是通過光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，也同樣利用AT89S52型號(hào)單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，并最終輸出原信號(hào)。

2.2 外部電路設(shè)計(jì)

在光信號(hào)傳輸方面，將光電二極管和白光LED混合放置在同一塊電路板上，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的功能。為了避免白光LED自身發(fā)光對(duì)光電二極管接收造成影響，采用擋板將其光線阻斷，如圖3所示。圖3中央即為光電二極管。

圖3 光電二極管和白光LED在電路中的排列

Fig. 3 Arrangement of photoelectric diode and white-light LED in the circuit

使用光電二極管接收閃爍的光信號(hào)，在設(shè)備的工作過程中不能出現(xiàn)任何可見光干擾。因此，選用靈敏度較低的光感應(yīng)電路，并使設(shè)備發(fā)光遠(yuǎn)強(qiáng)于環(huán)境光，從而去除環(huán)境光造成的干擾。在系統(tǒng)整體設(shè)備電路圖中，單片機(jī)工作原理電路因篇幅所限而在此省去。

針對(duì)編碼調(diào)制和解調(diào)解碼方面，設(shè)計(jì)的電路圖則如圖4所示。圖中，單片機(jī)使用了11.059 2MHz晶振。

圖4通信系統(tǒng)電路

Fig. 4 Circuit of communication system

RS232電平信號(hào)經(jīng)過MAX232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平信號(hào)，由RXD口進(jìn)入單片機(jī)A，單片機(jī)A調(diào)制后由P1.0口控制LED閃爍發(fā)送信息；而從對(duì)方設(shè)備傳來的光信號(hào)通過光電二極管轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并由單片機(jī)B INT0口接收，解調(diào)后又將原信號(hào)由TXD口送出，再經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換成RS232電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)在系統(tǒng)中的傳輸和調(diào)制解調(diào)。

利用調(diào)制模塊，采用多種數(shù)據(jù)傳輸方式，多個(gè)LED并聯(lián)接入單片機(jī)的不同輸出端，接收不同的數(shù)據(jù)且調(diào)制到不同頻率下；相應(yīng)地，接收端則利用同等數(shù)量的光電二極管進(jìn)行接收，如此即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率成倍提升。

2.3 程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)調(diào)制匯編源代碼，控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了將外界設(shè)備（即計(jì)算機(jī)）輸入信號(hào)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的“0”調(diào)制成LED高頻4.8KHz閃爍，而將“1”調(diào)制成LED低頻2.4KHz閃爍。

其后，單片機(jī)則解調(diào)匯編源代碼，由此控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了將光電二極管接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。

在使用本系統(tǒng)的設(shè)備上（即計(jì)算機(jī)），通過驗(yàn)證每一幀數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)位來進(jìn)行檢錯(cuò)。串行數(shù)據(jù)從輸入到輸出，將存在最長兩個(gè)信號(hào)位（即5.4ms）的延遲，但這一現(xiàn)象卻并不會(huì)影響串行字節(jié)數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在構(gòu)建了單方向白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)后，通過設(shè)計(jì)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間的字符數(shù)據(jù)傳輸，以此來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信。

信號(hào)發(fā)射設(shè)備預(yù)定為計(jì)算機(jī)A，其中采用STC-ISP軟件中的串口助手，如圖5所示。在發(fā)射端，傳輸內(nèi)容為字母、數(shù)字的組合。實(shí)驗(yàn)過程中，需保持白光LED與光電二極管之間距離約為1m。

圖5 電腦A發(fā)送的數(shù)據(jù)

Fig. 5 The data sent by computer A

計(jì)算機(jī)B接收到的數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 電腦B接收的數(shù)據(jù)

Fig. 6 The data received by computer B

實(shí)驗(yàn)證明單方向白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)完全可行，傳輸過程中沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。為此，只需將調(diào)制解調(diào)模塊有機(jī)結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)全雙工串行通信。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)易普及和實(shí)現(xiàn)。只要融合串口通信的原理，及對(duì)單片機(jī)的簡(jiǎn)單編程，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完整搭建。并且，在白光LED無線光通信傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照明的同時(shí)，也可進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，即任何照明系統(tǒng)均將支持高效數(shù)據(jù)傳輸。此外，利用LED無線光通信，并不會(huì)對(duì)其他設(shè)備，如手機(jī)的信號(hào)造成干擾。只是由于單片機(jī)性能原因，目前的系統(tǒng)傳輸速度并未獲得大幅提升。為此，應(yīng)用電路及其他芯片來改進(jìn)系統(tǒng)，即已成為無線光通信技術(shù)的未來發(fā)展方向。

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