LED可见光通信发射与接收系统设计

    李力　丁威

    

    

    

    摘要：LED可见光作为一种绿色环保、低功率、高亮度的照明光，在当今人们的日常生活和工作中得到了广泛的应用。根据光通信的基本原理，设计出以STC89C52RC单片机为核心的LED可见光通信系统。系统采用单片机作为LED光信号的发射和接收模块，通过对LED光信号的直接调制和检测，并利用串口调试软件辅助实现终端设备间的LED光通信，最终实现了PC间的简单单工数据通信。

    关键词：可见光通信；LED；STC89C52RC

    1 引言

    可见光通信作为一种新兴的无线通信技术具有较大的研究和应用价值，LED可见光通信利用高速闪烁的光信号实现信息的调制和传输，通过光敏检测技术实现信号的光电转换，最终完成信息的发送和接收。

    当前移动互联网产业蓬勃发展，人类进入了对信息量需求巨大的“大数据、云计算”时代，无线射频通信是目前正在使用的重要无线通信技术。射频无线通信广泛用于生产、生活的各个领域，是目前最成熟的通信技术，已经在很大程度上改变了人们的生产和生活习惯。在未来的无线通信发展过程中，射频通信仍将继续起着重要作用。

    与射频通信相比，基于LED的可见光通信具有保密性强、对人体无害、无电磁干扰辐射等优点。可见光通信技术是基于环保节能的LED照明光源的无线光通信技术，随着科技的飞速发展和社会的不断进步，结合了LED照明和通信的无线光通信技术，必将凭借其自身的独优势得到深入广泛的应用。

    2 系统原理分析

    在可见光通信系统中，在信号发生模块利用STC89C52RC单片机驱动发射电路的LED灯阵高频率闪烁发射不同信号对应的二进制代码；在信号接收处理模块利用STC89C52RC单片机处理光敏二极管检测到的二进制闪烁信号，经过译码将对应的信息经串口发送给接收端，显示为可视的原始信号，上述过程主要基于STC89C52RC单片机的点对点异步通信和点对PC的串行异步通信，整个系统的基本原理如图1所示。

    2.1 单片机串口异步通信工作原理

    串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。

    本系统基于单片机双机串行异步通信原理，将所发信号转换为对应的二进制代码，并以此驱动LED灯阵高频闪烁，双机之间不需要连接可视化介质作为通信媒介；避免了现有机间通信采用导线信道的缺点，而且可以实现一点发射，多点接收的效果，突破了以往实物信道通信过程的瓶颈，具有较高的通信效率和较低的损耗功率。

    2.2 单片机与PC间串行异步通信工作原理

    单片机与PC通信同样基于串行异步通信原理，PC信号发射端借助串口调试软件将信息输入系统信息发送端，随后信号经由PC传向通过USB转串口模块相连的单片机，单片机读取缓冲区的二进制代码，并以此驱动LED灯阵高频闪烁，接着持续完成单片机双机间通信，信息接收端通信过程则与之相反。

    2.3 单片机最小系统

    最小系统概念：能都使单片机硬件电路正常工作的单元电路系统叫做最小系统；

    最小系统构成：复位电路、时钟电路、存储器访问路径控制、ISP下载接口、电流源、显示电路；

    本系统中单片机最小系统工作原理：在最小系统的基础上分别在信号发射板和接收板上增添各自的外围调制驱动电路，并向单片机内导入对应的程序，利用最小系统及外围电路的组合驱动单片机运行程序并由此实现相应的功能。

    3 系统组成设计

    系统组成分为两个基本模块：发射板和接收板，系统组成原理框图，如图2所示，整个系统构建设计如下。

    3.1 发射端PC机

    用于系统终端输入和显示发射端的发送信息。

    3.2 发射板USB转串口驱动模块

    PC机与单片机间通信的桥梁，连接PC机和MCU控制模块，用于将发射端串口调试软件的输入信息传送到MCU控制模块。

    3.3 发射板MCU控制模块

    MCU模块为超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机最小系统控制模块，能利用PC机中送来的数据控制和驱动lED驱动电路。

    3.4 LED驱动模块

    该模块主要由MCU外围的LED驱动电路和LED阵列光源组成。相关研究显示，环境光照度大于1501ux时，外界环境光对传输会形成干扰，当环境光照度小于此门限值时且光源足够强时，环境光的干扰基本可以忽略哺，因此系统光源采用直径5mm的3X8LED灯阵列，利用MCU模块传送的二进制信号值，采用光强度调制将电信号转换为光信号，实现调制并发送出可见光数据。LED驱动电路中，考虑到运算放大器的工作频率比较低，而单一晶体管可以完成百兆赫兹到吉赫兹级工作，所以系统中LED阵列驱动器件选择单一晶体管。

    3.5 无线光通信信道

    如图3所示是无线光通信系统的线性基带传输模型。

    如图所示，F（t）是发射板输入的发射光，R是接收板光敏检测元件的响应效率，h（t）是基带信道的脉冲响应，N（t）是光噪声，Y（t）是输出光电流，其表达式为：

    Y（t）=RF（t） h（t）+N（t）：

    Y（t）跟光敏检测器表面接收到的瞬时光功率的积分成比例关系。系统信道中的室内灯光、阳光等均可视为光噪声，可以采用光学滤光片和聚光镜对光噪声进行有效削弱。凸透镜能对发射光进行聚焦增强，并且能扩大光敏检测模块的探测范围。同时利用光学滤光片滤除杂散光，进一步可以提高信道传输质量，延长通信距离。

    3.6 光电检测转换模块

    接收板采用光敏检测模块接收可见光数据，利用光电二极管将光信号转换为电信号。光敏检测模块采用直接检测技术，将接收到的光信号经光电二极管还原成电信号。核心器件光电二极管接收到的光强和其自身的有效接收面积成正比，在视距链路中，接收端可以采用减小接收板距离或者增加透镜折射率的方法来增加光电二极管的有效接收面积。

    3.7 接收板MCU控制模块

    该模块的核心器件为STC89C52RC单片机最小系统，能对光电接收模块产生的信号进行处理，并将其还原为原始数据信息。

    3.8 接收板USB转串口模块

    用于连接接收端MCU控制模块到接收板PC机USB接口，将MCU控制模块串口发出的数据送入PC机串口调试助手中进行显示。

    3.9 接收端PC机

    用于系统终端显示接收端的接收信息。

    4 结语

    该系统在发射与接收模块的设计上避免使用大量复杂的调制解调等信号处理电路，利用STC89C52RC单片机作为信号的发射与接收控制器，并通过其自身的校验控制方式避免了信号的误码与丢失，克服了现有系统复杂调制解调电路带来的加性噪声干扰，具有高效、可靠、低功耗的优点，能够方便快捷地应用于PC终端间的简单通信；以LED可见光作为信号的传输媒介，克服T4#统射频通信频谱限制严格的不足，基于LED可见光的通信网络易于建立覆盖、有效可靠。目前，国内在此领域正处于研发阶段，国家已启动的“十城万盏”照明工程也为LED可见光通信的应用提供了广阔空间，可见光通信技术的必能以其独特优势赢得人们的青睐。