摘 要： 該設(shè)計是基于STM32的大功率白光LED可見光通信系統(tǒng)，白光從發(fā)送到接收傳輸距離最高可達(dá)5 m?？蓚鬏旑l率為300 Hz～8 kHz的模擬信號及高保真音頻，波特率可達(dá)1.6 Mb/s，輸出信號在示波器上無明顯失真。該系統(tǒng)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(dāng)前單信道通信或雙信道通信。模擬信號經(jīng)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(jīng)上拉放大后由12位A/D轉(zhuǎn)換器采樣，經(jīng)過△壓縮后由主站通過白光LED發(fā)射。接收站通過光電接收管接收信號后經(jīng)解碼、D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為模擬信號，模擬信號經(jīng)濾波放大后輸出至示波器或音頻放大器。

關(guān)鍵詞： STM32白光通信； A/D轉(zhuǎn)換器； D/A轉(zhuǎn)換器； △編碼； 雙信道通信

中圖分類號： TN929.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)行寬帶信息傳輸。他們首先提出了大功率白光LED因調(diào)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(diào)制帶寬，提出了多電平調(diào)制方法，該觀點比較切合實際。Bremen大學(xué)的HanyElgala主張采用強(qiáng)度調(diào)制方法對LED進(jìn)行調(diào)制，同樣提出了正交頻分復(fù)用技術(shù)用于可見光通信。南洋理工大學(xué)的DamonW.K.Wong和GeorgeChen從光源的模型出發(fā)，提出了白光LED的布局存在最優(yōu)分布的觀點，并且設(shè)計出實驗系統(tǒng)既可以照明又可以發(fā)射1 kHz正弦信號。

國內(nèi)在白光LED照明通信研究領(lǐng)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(fā)表于2008年，且大部分集中在理論方面研究。最早的文獻(xiàn)見于2006年2月的半導(dǎo)體光電雜志，西安理工大學(xué)柯熙政和丁德強(qiáng)對LED可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。2006年6月杭州電子科技大學(xué)的周洋研究了LED可見光無線通信的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[1]。2009年華南師范大學(xué)劉宏展在光無線通信上發(fā)表了白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展。

1 方案論證

1.1 系統(tǒng)控制芯片

方案一：STC89C52，8位MCU。該芯片操作簡單，庫函數(shù)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(shù)據(jù)的傳輸中。

方案二：MSP430，16位MCU。該芯片低功耗，節(jié)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(zhuǎn)速度較難滿足發(fā)射速度。

方案三：STM32增強(qiáng)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(yīng)用設(shè)計的ARM Cortex?M3內(nèi)核。增強(qiáng)型系列時鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。內(nèi)置32～128 KB的閃存，SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時鐘頻率為72 MHz時，I/O可以滿足音頻發(fā)射速度，STM32功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz。

綜合以上分析選擇方案三。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換/D/A轉(zhuǎn)換的論證與選擇

方案一：STM32內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換/D/A轉(zhuǎn)換，無需復(fù)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(nèi)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)白光傳輸?shù)男盘栐肼曒^大，如圖1所示。

方案二：使用片外12位的A/D轉(zhuǎn)換/D/A轉(zhuǎn)換器，外圍電路較為復(fù)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(zhuǎn)換器，經(jīng)白光傳輸?shù)男盘栐肼曅?，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(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)中。

方案二：NE5532，電壓適應(yīng)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(xì)膩型，驅(qū)動力強(qiáng)，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(dá)50 MHz，SR達(dá)到300 V/μs， 高頻、低頻音質(zhì)非常好無明顯失真。且在±5 V的供電下仍有優(yōu)異的性能。價格昂貴，用在此系統(tǒng)中不經(jīng)濟(jì)。

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(dāng)今主流照明白光LED為“單色光+熒光粉”的形式。熒光粉激發(fā)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(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)傳輸速率高達(dá)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(zhuǎn)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(qū)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(guān)電源調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3 A的驅(qū)動電流。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150 kHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)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(tǒng)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(guān)參數(shù)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(yīng)為20 Hz～20 kHz。高通濾波部分為使信號衰減小，所以[R1]應(yīng)盡量大，選[R1]為68 kΩ，輸入音頻信號應(yīng)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(yīng)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(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

先在面包板上搭建功放電路，然后由手機(jī)播放音頻，調(diào)試外圍元件參數(shù)，直到音頻無失真為止。調(diào)整好參數(shù)后焊接電路，進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

由于A/D轉(zhuǎn)換只能采集正電壓，然后濾波，根據(jù)香農(nóng)采樣定理使用六倍頻采樣，確保能準(zhǔn)確還原波形，所以需要對音頻信號的模擬信號進(jìn)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(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再由減法器還原原音頻的模擬信號。

5.2 軟件調(diào)試

信號發(fā)射端：首先通過ADC采樣，將12位采樣數(shù)據(jù)分解成兩個字節(jié)，在每個字節(jié)的前兩位加上引導(dǎo)碼，以方便接收端對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別。再通過△壓縮編碼，先將分解后的原碼通過串口發(fā)送出去，下一次將采樣的數(shù)據(jù)與原碼做差，將差值通過串口發(fā)送出去。利用△編碼后，每傳輸兩次采樣值可節(jié)省1個字節(jié)，加快了通信的速率。同時，本設(shè)計可切換為雙路通信，軟件采用時分復(fù)用的辦法，將兩個通道的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏?，并通過自定義的通道切換碼進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，將接收的已被△編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，隨后將解碼的數(shù)據(jù)寫入DAC并輸出相應(yīng)的模擬量。當(dāng)接收到通道切換碼時，接收端即刻轉(zhuǎn)換為雙通道工作模式，將接收到的不同通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分別解碼，并通過不同的DAC輸出相應(yīng)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(guī)律，無法用示波器直接判斷失真與否，經(jīng)測試人耳聽不出噪聲，音質(zhì)優(yōu)美。

7 結(jié) 論

通過本次系統(tǒng)的設(shè)計制作，熟練應(yīng)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(shù)值并不是抑制噪聲最佳的數(shù)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(dǎo)線的電感效應(yīng)。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(wěn)定性。

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