基于51單片機的LED可見光通信系統(tǒng)

王 濤

(青海民族大學物理與電子信息工程學院，青海 西寧 810007)

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

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

目前，國內(nèi)在此領域正處于研發(fā)階段，國家已啟動的“十城萬盞”照明工程為LED可見光通信的應用提供了廣闊空間。本課題立足于國內(nèi)可見光通信的現(xiàn)狀，研究了基于51單片機的LED可見光單工通信系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了LED可見光數(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，采用光強度調(diào)制一直接檢測(IM－DD)技術，進行可見光信號的發(fā)射和接收，從而實現(xiàn)PC機之間的可見光數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

1)PC機: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USB接口，將PC機串口調(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:核心器件為超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機，PC機中送來的數(shù)據(jù)信息在STC89C52RC單片機控制下驅(qū)動LED驅(qū)動電路［7］。

4)LED驅(qū)動模塊:主要由LED驅(qū)動電路和LED陣列光源組成。研究表明，環(huán)境光照度大于150 lux時，環(huán)境光對傳輸會形成干擾，當環(huán)境光照度小于此門限值時且光源足夠強時，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，用光強度調(diào)制將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，光強度信號隨輸入信號電流變化，實現(xiàn)調(diào)制，發(fā)送出可見光數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動電路中，考慮到運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工作，所以系統(tǒng)中LED陣列驅(qū)動器件選擇單一晶體管。

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

圖2 室內(nèi)無線光通信系統(tǒng)的線性基帶傳輸模型

圖2中f(t)是輸入的發(fā)射光，R是光敏元件的響應效率，h(t)是基帶信道的脈沖響應，N(t)是光噪聲，y(t)是輸出光電流，其表達式為

y(t)跟光檢測器表面接收到的瞬時光功率的積分成比例關系。系統(tǒng)信道中的太陽光、熒光燈燈光等均可視為光噪聲，通過使用光學濾光片和聚光鏡可以對光噪聲進行有效削弱。透鏡能對發(fā)射光進行聚焦，同時能擴大光敏元件的接收范圍，光學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，延長通信距離。

6)光電接收模塊:采用光電二極管光接收可見光數(shù)據(jù)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電二極管接收到的光強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視角或者增加透鏡折射率的方法來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技術，將接收到的光信號經(jīng)光電二極管還原成電信號。考慮到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，響應速度快，價格也較低，所以系統(tǒng)中選擇PIN光電二極管。

7)接收端MCU控制模塊:核心器件為超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機，對光電接收模塊產(chǎn)生的信號進行處理，恢復成數(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USB接口，將MCU控制模塊串口發(fā)出的數(shù)據(jù)送入PC機串口調(diào)試助手中進行顯示。

2 基于51單片機的VLC系統(tǒng)單工通信實驗

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

圖3 基于51單片機的VLC單工通信系統(tǒng)電路實物圖

利用PC機中串口調(diào)試助手，對系統(tǒng)進行了如下實驗，在高速調(diào)制下觀察了信號的傳輸接收狀況。

1)手動發(fā)送實驗。波特率均設置為600，在PC機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)手動發(fā)送，經(jīng)過基于51單片機的VLC單工通信系統(tǒng)后，PC機COM4口接收區(qū)迅速準確顯示出“Visible Light Communication!My Visible Light Communication!ok!!”。實驗觀察結(jié)果如圖4所示。

圖4 手動發(fā)送實驗結(jié)果(截圖)

2)自動發(fā)送實驗。波特率均設置為600，發(fā)送數(shù)據(jù)不變，將手動發(fā)送改為自動發(fā)送，自動發(fā)送周期設置為10 ms，數(shù)據(jù)可以通過基于51單片機的VLC單工通信系統(tǒng)快速傳輸，并準確顯示在COM4口的接收區(qū)。實驗觀察結(jié)果如圖5所示。

自動發(fā)送實驗中如果用遮擋物(如書本)阻斷無線光通信信道，則雖然發(fā)射板仍在快速發(fā)送光信號，但COM4口的接收區(qū)無任何數(shù)據(jù)顯示。當移出遮擋物時，COM4口的接收區(qū)繼續(xù)顯示數(shù)據(jù)，這說明觀察顯示到的數(shù)據(jù)是從光信道傳輸后收到的。

圖5 自動發(fā)送實驗結(jié)果(截圖)

3)發(fā)送文件實驗。波特率均設置為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)準確顯示出“1.txt”的內(nèi)容:My VLC。實驗觀察結(jié)果如圖6所示。

圖6 發(fā)送文件實驗結(jié)果(截圖)

3 結(jié)論

本文針對LED可見光進行了基于51單片機的VLC系統(tǒng)設計，采用超強抗干擾、高速、低功耗的STC89C52RC單片機進行控制，利用串口調(diào)試助手來實現(xiàn)信號源的發(fā)送與接收，系統(tǒng)具有較小的體積和較低的成本。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的單工數(shù)據(jù)通信。

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