李力　丁威

摘要：LED可見(jiàn)光作為一種綠色環(huán)保、低功率、高亮度的照明光，在當(dāng)今人們的日常生活和工作中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)光通信的基本原理，設(shè)計(jì)出以STC89C52RC單片機(jī)為核心的LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為L(zhǎng)ED光信號(hào)的發(fā)射和接收模塊，通過(guò)對(duì)LED光信號(hào)的直接調(diào)制和檢測(cè)，并利用串口調(diào)試軟件輔助實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備間的LED光通信，最終實(shí)現(xiàn)了PC間的簡(jiǎn)單單工數(shù)據(jù)通信。

關(guān)鍵詞：可見(jiàn)光通信；LED；STC89C52RC

1 引言

可見(jiàn)光通信作為一種新興的無(wú)線通信技術(shù)具有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值，LED可見(jiàn)光通信利用高速閃爍的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息的調(diào)制和傳輸，通過(guò)光敏檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，最終完成信息的發(fā)送和接收。

當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入了對(duì)信息量需求巨大的“大數(shù)據(jù)、云計(jì)算”時(shí)代，無(wú)線射頻通信是目前正在使用的重要無(wú)線通信技術(shù)。射頻無(wú)線通信廣泛用于生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域，是目前最成熟的通信技術(shù)，已經(jīng)在很大程度上改變了人們的生產(chǎn)和生活習(xí)慣。在未來(lái)的無(wú)線通信發(fā)展過(guò)程中，射頻通信仍將繼續(xù)起著重要作用。

與射頻通信相比，基于LED的可見(jiàn)光通信具有保密性強(qiáng)、對(duì)人體無(wú)害、無(wú)電磁干擾輻射等優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)光通信技術(shù)是基于環(huán)保節(jié)能的LED照明光源的無(wú)線光通信技術(shù)，隨著科技的飛速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，結(jié)合了LED照明和通信的無(wú)線光通信技術(shù)，必將憑借其自身的獨(dú)優(yōu)勢(shì)得到深入廣泛的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)原理分析

在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，在信號(hào)發(fā)生模塊利用STC89C52RC單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路的LED燈陣高頻率閃爍發(fā)射不同信號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼；在信號(hào)接收處理模塊利用STC89C52RC單片機(jī)處理光敏二極管檢測(cè)到的二進(jìn)制閃爍信號(hào)，經(jīng)過(guò)譯碼將對(duì)應(yīng)的信息經(jīng)串口發(fā)送給接收端，顯示為可視的原始信號(hào)，上述過(guò)程主要基于STC89C52RC單片機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信和點(diǎn)對(duì)PC的串行異步通信，整個(gè)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

2.1 單片機(jī)串口異步通信工作原理

串口通信（Serial Communications）的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

本系統(tǒng)基于單片機(jī)雙機(jī)串行異步通信原理，將所發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，并以此驅(qū)動(dòng)LED燈陣高頻閃爍，雙機(jī)之間不需要連接可視化介質(zhì)作為通信媒介；避免了現(xiàn)有機(jī)間通信采用導(dǎo)線信道的缺點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)發(fā)射，多點(diǎn)接收的效果，突破了以往實(shí)物信道通信過(guò)程的瓶頸，具有較高的通信效率和較低的損耗功率。

2.2 單片機(jī)與PC間串行異步通信工作原理

單片機(jī)與PC通信同樣基于串行異步通信原理，PC信號(hào)發(fā)射端借助串口調(diào)試軟件將信息輸入系統(tǒng)信息發(fā)送端，隨后信號(hào)經(jīng)由PC傳向通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊相連的單片機(jī)，單片機(jī)讀取緩沖區(qū)的二進(jìn)制代碼，并以此驅(qū)動(dòng)LED燈陣高頻閃爍，接著持續(xù)完成單片機(jī)雙機(jī)間通信，信息接收端通信過(guò)程則與之相反。

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)概念：能都使單片機(jī)硬件電路正常工作的單元電路系統(tǒng)叫做最小系統(tǒng)；

最小系統(tǒng)構(gòu)成：復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器訪問(wèn)路徑控制、ISP下載接口、電流源、顯示電路；

本系統(tǒng)中單片機(jī)最小系統(tǒng)工作原理：在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分別在信號(hào)發(fā)射板和接收板上增添各自的外圍調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路，并向單片機(jī)內(nèi)導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的程序，利用最小系統(tǒng)及外圍電路的組合驅(qū)動(dòng)單片機(jī)運(yùn)行程序并由此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

3 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成分為兩個(gè)基本模塊：發(fā)射板和接收板，系統(tǒng)組成原理框圖，如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)如下。

3.1 發(fā)射端PC機(jī)

用于系統(tǒng)終端輸入和顯示發(fā)射端的發(fā)送信息。

3.2 發(fā)射板USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)模塊

PC機(jī)與單片機(jī)間通信的橋梁，連接PC機(jī)和MCU控制模塊，用于將發(fā)射端串口調(diào)試軟件的輸入信息傳送到MCU控制模塊。

3.3 發(fā)射板MCU控制模塊

MCU模塊為超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)控制模塊，能利用PC機(jī)中送來(lái)的數(shù)據(jù)控制和驅(qū)動(dòng)lED驅(qū)動(dòng)電路。

3.4 LED驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊主要由MCU外圍的LED驅(qū)動(dòng)電路和LED陣列光源組成。相關(guān)研究顯示，環(huán)境光照度大于1501ux時(shí)，外界環(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(mén)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哺，因此系統(tǒng)光源采用直徑5mm的3X8LED燈陣列，利用MCU模塊傳送的二進(jìn)制信號(hào)值，采用光強(qiáng)度調(diào)制將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制并發(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。

3.5 無(wú)線光通信信道

如圖3所示是無(wú)線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型。

如圖所示，F(xiàn)（t）是發(fā)射板輸入的發(fā)射光，R是接收板光敏檢測(cè)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）=RF（t） h（t）+N（t）：

Y（t）跟光敏檢測(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)信道中的室內(nèi)燈光、陽(yáng)光等均可視為光噪聲，可以采用光學(xué)濾光片和聚光鏡對(duì)光噪聲進(jìn)行有效削弱。凸透鏡能對(duì)發(fā)射光進(jìn)行聚焦增強(qiáng)，并且能擴(kuò)大光敏檢測(cè)模塊的探測(cè)范圍。同時(shí)利用光學(xué)濾光片濾除雜散光，進(jìn)一步可以提高信道傳輸質(zhì)量，延長(zhǎng)通信距離。

3.6 光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換模塊

接收板采用光敏檢測(cè)模塊接收可見(jiàn)光數(shù)據(jù)，利用光電二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光敏檢測(cè)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)。核心器件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板距離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。

3.7 接收板MCU控制模塊

該模塊的核心器件為STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)，能對(duì)光電接收模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，并將其還原為原始數(shù)據(jù)信息。

3.8 接收板USB轉(zhuǎn)串口模塊

用于連接接收端MCU控制模塊到接收板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。

3.9 接收端PC機(jī)

用于系統(tǒng)終端顯示接收端的接收信息。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)在發(fā)射與接收模塊的設(shè)計(jì)上避免使用大量復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理電路，利用STC89C52RC單片機(jī)作為信號(hào)的發(fā)射與接收控制器，并通過(guò)其自身的校驗(yàn)控制方式避免了信號(hào)的誤碼與丟失，克服了現(xiàn)有系統(tǒng)復(fù)雜調(diào)制解調(diào)電路帶來(lái)的加性噪聲干擾，具有高效、可靠、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，能夠方便快捷地應(yīng)用于PC終端間的簡(jiǎn)單通信；以LED可見(jiàn)光作為信號(hào)的傳輸媒介，克服T4#統(tǒng)射頻通信頻譜限制嚴(yán)格的不足，基于LED可見(jiàn)光的通信網(wǎng)絡(luò)易于建立覆蓋、有效可靠。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”照明工程也為L(zhǎng)ED可見(jiàn)光通信的應(yīng)用提供了廣闊空間，可見(jiàn)光通信技術(shù)的必能以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)贏得人們的青睞。