基于大功率白光LED的可见光通信

摘 要： 该设计是基于STM32的大功率白光LED可见光通信系统，白光从发送到接收传输距离最高可达5 m。可传输频率为300 Hz～8 kHz的模拟信号及高保真音频，波特率可达1.6 Mb/s，输出信号在示波器上无明显失真。该系统具备双信道通信，两路信道同时均可传输300 Hz～8 kHz的模拟信号。由从站LCD12864液晶显示当前单信道通信或双信道通信。模拟信号经传输后在示波器上显示无明显失真。模拟信号为8倍采样，音频为6倍采样，采样信号经上拉放大后由12位A/D转换器采样，经过压缩后由主站通过白光LED发射。接收站通过光电接收管接收信号后经解码、D/A转换，转换为模拟信号，模拟信号经滤波放大后输出至示波器或音频放大器。

关键词： STM32白光通信； A/D转换器； D/A转换器； 编码； 双信道通信

中图分类号： TN929.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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

德国柏林的海因里希赫兹、弗朗禾费通信研究所的GelenaGrubor和KlausDieter Langer提出用白光LED进行宽带信息传输。他们首先提出了大功率白光LED因调制带宽有限而限制了传输速率，因而他们研究的重点在于如何提高调制带宽，提出了多电平调制方法，该观点比较切合实际。Bremen大学的HanyElgala主张采用强度调制方法对LED进行调制，同样提出了正交频分复用技术用于可见光通信。南洋理工大学的DamonW.K.Wong和GeorgeChen从光源的模型出发，提出了白光LED的布局存在最优分布的观点，并且设计出实验系统既可以照明又可以发射1 kHz正弦信号。

国内在白光LED照明通信研究领域相对于国外较晚，2006年以来成为研究的热点，主要研究成果发表于2008年，且大部分集中在理论方面研究。最早的文献见于2006年2月的半导体光电杂志，西安理工大学柯熙政和丁德强对LED可见光通信的关键技术进行了探讨。2006年6月杭州电子科技大学的周洋研究了LED可见光无线通信的现状和发展方向[1]。2009年华南师范大学刘宏展在光无线通信上发表了白光LED照明的可见光通信的现状及发展。

1 方案论证

1.1 系统控制芯片

方案一：STC89C52，8位MCU。该芯片操作简单，库函数丰富，价格低廉，成本低，易控制，但RAM仅为4 KB，处理速度不快，难以用在精密控制、精密测量以及高速大数据的传输中。

方案二：MSP430，16位MCU。该芯片低功耗，节能，具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），适用于便携式仪器仪表中，主频为8 MHz，无法倍频，故处理速度相对较慢，I/O口翻转速度较难满足发射速度。

方案三：STM32增强型，32位MCU。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的要求专为嵌入式应用设计的ARM Cortex?M3内核。增强型系列时钟频率达到72 MHz，是同类产品中性能最高的产品。内置32～128 KB的闪存，SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率为72 MHz时，I/O可以满足音频发射速度，STM32功耗36 mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5 mA/MHz。

综合以上分析选择方案三。

1.2 A/D转换/D/A转换的论证与选择

方案一：STM32内置A/D转换/D/A转换，无需复杂的电路，无需额外提供电源，使用方便，实践表明，使用片内转换器，经白光传输的信号噪声较大，如图1所示。

方案二：使用片外12位的A/D转换/D/A转换器，电路较为复杂，需额外提供电源，编码简单，传输速度快，实践表明，使用片外转换器，经白光传输的信号噪声小，如图2所示。

综上分析选择方案二。

1.3 功放电路

方案一：LM386，是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机中。

方案二：NE5532，电压适应范围非常宽，从±3～ ±20 V都能正常工作。声音特点总体来说属于温暖细腻型，驱动力强，但高音略显毛糙，低音偏肥，而且价格比较贵。

方案三：AD827，此芯片增益带宽达50 MHz，SR达到300 V/μs， 高频、低频音质非常好无明显失真。且在±5 V的供电下仍有优异的性能。价格昂贵，用在此系统中不经济。

综上分析选择方案一。

1.4 光电器件的选择

方案一：650 nm激光接收头。当今主流照明白光LED为“单色光+荧光粉”的形式。荧光粉激发出大量红光，红光波长为622～770 nm，激光接收头的接收波长约为650 nm，这样能消除大部分外界光源的干扰，能提升系统的抗干扰能力。而且激光接收头价格低廉，接收频率高，操作简单。

方案二：半导体光电传感器。接收光线波长较广，对可见光灵敏度高，选择性较差。系统传输速率高达1.6 Mb/s，而高速器件的价格较高，不利于成本控制。

综合以上分析，选择方案一。

2 主要单元电路

2.1 音频功放电路

由于D/A转换后的模拟信号只有几十mV，人耳听不清，所以要加一个放大电路，将电压放大，驱动喇叭，电容[C4]作用为隔直流，还原交流信号，隔离采样电路中加法器上拉的直流电压，如图3所示。

2.2 电源电路

LM2596开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 A的驱动电流。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。

计算公式为：

[Vout=Vref1+（R1+R2）R3]

式中[Vref=1.23 V。]

2.3 A/D采样电路

该电路可以提升音频模拟信号的整体电压值，使电压最小值大于0 V，方便A/D采样，如图4所示。

3 流程图

系统整体流程图，如图5所示。程序流程图如图6所示。程序编码流程图如图7所示。

4 相关参数计算说明

4.1 带通滤波器

人耳听到的声音频率范围为20 Hz～20 kHz，所以带通应为20 Hz～20 kHz。高通滤波部分为使信号衰减小，所以[R1]应尽量大，选[R1]为68 kΩ，输入音频信号应不高于200 mV，所以衰减的信号在μA级，由[f=1（2πRC）]知，此时[C=1（2πfR）=0.1 μF。]低通滤波部分为了保持信号，所以[R2]应尽量小，选为680 Ω，由[f=][1（2πRC）]知，此时[C=1（2πfR）=0.02] μF，带通滤波如图8所示。

5 系统调试

5.1 硬件调试

先在面包板上搭建功放电路，然后由手机播放音频，调试元件参数，直到音频无失真为止。调整好参数后焊接电路，进行联调。

由于A/D转换只能采集正电压，然后滤波，根据香农采样定理使用六倍频采样，确保能准确还原波形，所以需要对音频信号的模拟信号进行上拉电压，将整体电压上拉到0 V以上，接收站收到信号后进行D/A转换，再由减法器还原原音频的模拟信号。

5.2 软件调试

信号发射端：首先通过ADC采样，将12位采样数据分解成两个字节，在每个字节的前两位加上引导码，以方便接收端对数据进行识别。再通过压缩编码，先将分解后的原码通过串口发送出去，下一次将采样的数据与原码做差，将差值通过串口发送出去。利用编码后，每传输两次采样值可节省1个字节，加快了通信的速率。同时，本设计可切换为双路通信，软件采用时分复用的办法，将两个通道的数据交叉传输，并通过自定义的通道切换码进行不同通道之间的切换。

信号接收端：首先通过串口中断不断进行数据的接收，将接收的已被编码的数据进行解码，随后将解码的数据写入DAC并输出相应的模拟量。当接收到通道切换码时，接收端即刻转换为双通道工作模式，将接收到的不同通道的数据进行分别解码，并通过不同的DAC输出相应的模拟量。

6 测 试

（1） 1 kHz正弦波输出波形（上）与原波形（下）相比较基本无失真，如图9所示。

（2） 8 kHz方波输出波形（上）与输入波形（下）相比较基本无失真，如图10所示。

音频信号无明显规律，无法用示波器直接判断失真与否，经测试人耳听不出噪声，音质优美。

7 结 论

通过本次系统的设计制作，熟练应用并掌握了大功率白光通信原理，熟练运用了压缩编码的通信方式。另外了解到理论与实践确实有些差距，比如高通、低通滤波时，理论计算的数值并不是抑制噪声最佳的数值，需要考虑到电路中其他器件的影响，比如在三极管的电路中，在高频范畴要考虑到极间电容的影响，以及导线的电感效应。在代码编写方面，体会到代码实时性的重要，代码编写要简介明了，杜绝程序冗杂，提高代码的稳定性。

参考文献

[1] 刘文生，李锦林.取样技术原理与应用[M].北京：科学出版社，1981.

[2] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3] 陈永真，韩梅，陈之勃.硬件电路设计精解[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].北京：国防工业出版社，2013.

[6] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[7] 阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.