基于大功率白光LED的可見光通信

張靜

摘要：基于大功率白光LED的可見光通信裝置，實現了利用LED發(fā)光裝置和光敏器件傳輸音頻信號和模擬波形信號的功能，輸入信①號通過TI公司的LM1875芯片進行功率放大后，再利用555組成的多諧振蕩器進行信號的調制，調制后的信號驅動LED達到信號傳輸的目的，接收部分采用光敏電阻接收LED發(fā)送的信號，接收后的信號經過濾波處理和功率放大后送8歐喇叭輸出，音頻信號沒有明顯失真。此外裝置內的電壓、電流信號可以通過單片機采樣后，利用LCD12864進行顯示。該裝置較好的完成了題目預定的功能，達到了利用大功率白光LED可見光通信的目的。

關鍵詞：白光LED；LM1875；555；LM2576-ADJ

1.總體方案設計

1.1系統(tǒng)結構圖

基于大功率白光LED的可見光通信裝置分為：發(fā)送端和接收端兩大模塊，其中又包括電源模塊、音頻放大模塊、調制模塊、LED控制輸出模塊、可見光接收模塊、功放模塊、數據采集顯示模塊等7個子模塊組成，裝置設計基本框圖如圖1所示：

該裝置發(fā)送端和接收端均采用24V單電源供電，電源模塊使用TI公司的LM2576-ADJ芯片組成電壓可調電路，首先輸入220V交流電源經過變壓器變壓后輸入到LM2576進行穩(wěn)壓處理后作為穩(wěn)壓電源使用；音頻放大模塊采用采用TI公司的LM1875作為功放模塊，保證輸出信號的功率和避免失真；調制模塊利用555組成多諧振蕩器，將放大后的音頻信號和模擬信號調制成方波信號，從而驅動LED進行信號的發(fā)送；LED選用10W的大功率白光LED，并且保證在不進行信號傳輸的情況下功率必須滿足10W的要求，因為LED功率較大，在工作過程中溫升很大，因此需要加裝散熱片保證其正常運行。發(fā)送端的音頻信號來源于MP3或者是麥克風，模擬信號來源于信號發(fā)生器。 接收端的光敏器件選用光敏電阻，進行信號的接收，接收到發(fā)送端發(fā)出的信號后首先進行濾波處理后再進行功率放大，接收端的功放模塊同樣采用TI公司的LM1875作為功放模塊，在安裝功放模塊時也要加裝散熱片，功率放大后就可以直接輸出到8Ω的喇叭上。數據采集顯示模塊主要是完成電壓、電流信號的采樣、處理、顯示功能，顯示采用了具有中文字庫的LCD12864來顯示。

1.2方案比較與選擇

1）電源設計方案比較與選擇

方案一：采用常用的線性穩(wěn)壓芯片78XX系列組建的電源電路，雖然設計簡單，但是功耗高，帶負載能力差，電壓不是非常穩(wěn)定。

方案二：采用TI公司的LM2576-ADJ芯片組成的電壓可調電路，功耗低，效率高，帶負載能力強。適合產品要求。

通過以上兩個方案對比，我們最終選擇方案二。

2）功放模塊方案比較與選擇

方案一：采用LM386作為功放模塊，電源電壓范圍大，外接元件少，但是功率不足。

方案二：采用TI公司的LM1875作為功放模塊，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大等優(yōu)點。

通過以上兩個方案對比，我們最終選擇方案二。

3）接收模塊方案比較與選擇

方案一：采用光敏電阻作為可見光接收元件，可靠性好，反應速度較慢。

方案二：采用光敏三極管作為可見光接收元件，體積小，靈敏度高。

通過以上兩個方案對比，我們最終選擇方案一。

4）其他模塊

調制模塊：產品根據設計要求設置了音頻調制電路，該電路可將輸入的音頻信號或單音信號進行調制后控制LED，盡量保證在傳輸信號過程中保證LED亮度不受輸入信號的影響。

2.理論分析與計算

2.1 LED驅動分析計算

電源選用LM2576，將比較器的負端接基準電壓（1.23V），正端接分壓電阻網絡，這樣可根據輸出電壓的不同選定不同的阻值。用TIP41C作為LED的驅動電路，根據有沒有信號輸出控制LED的通斷，采用恒流方式驅動，電流為1A。

2.2信號的失真度控制

基于大功率白光LED的可見光通信裝置不僅要進行音頻信號的傳輸，還要對單音信號、模擬波形信號進行傳輸，傳輸頻率的跨度較大，而且傳輸過程是在可見光范圍內的無線傳輸，因此如何保證信號無明顯失真顯得非常重要。

1）信號的調制方法

調制就是對信號源的信息進行處理加到載波上，使其變?yōu)檫m合于信道傳輸的形式的過程，就是使載波隨信號而改變的技術。本作品采用脈沖調寬（PWM）方式進行調制。由IC555和R7、R6、C5等組成100KHz可控多諧振蕩器，占空比為50%，控制端5腳輸入音頻信號，3腳便得到脈寬與輸入信號幅值成正比的脈沖信號，驅動LED。

2）信號的濾波處理

信號在傳輸過程中光敏器件除了受到正常光源的作用外，還不可避免的受到干擾信號的影響，例如在室內還可能受到日光燈的影響，輸出電壓會有一定程度的波動，因此有必要對信號進行濾波。濾波器的截止頻率，電路的傳遞函數為，頻率特性為，當信號頻率為0時，容抗趨于無窮，電容開路，輸出電壓等于輸入電壓，隨著信號頻率的升高，容抗越來越小，從電容端獲得輸入信號也越來越小，待信號頻率趨于無窮時，容抗趨于0，輸出信號為0。

3.系統(tǒng)設計

基于大功率白光LED的可見光通信裝置分為發(fā)送端和接收端兩個部分，發(fā)送端將語音信號和模擬波形信號經過LM1875進行信號放大后進入555振蕩器進行信號調制，然后驅動10W的白光LED進行信號的傳輸；接收部分首先使用光敏旗艦接收來自LED的白光信號，信號經過低通濾波器進行濾波處理以后再進行信號的功率放大和處理后，輸送到負載8歐姆的喇叭上進行輸出，整個過程要保證LED的電流基本恒定，輸出的電壓的有效值不小于0.4V等信息。

數據采樣部分為本裝置設計的一個發(fā)揮部分的創(chuàng)新點，裝置在運行過程中，需要對LED的功率進行測算包含電流和電壓值的測量，輸出部分需要監(jiān)測輸出電壓不小于0.4V這個指標，因此本裝置增加了數據采樣部分，數據經過單片機處理后在LCD上進行顯示，題目要求的數據可以實時的顯示，使讀數更快捷。

4.系統(tǒng)調試與測試結果分析

經過測試，電路可以基本完成可見光通信，改變頻率后進行測試，無論輸出電壓和靜態(tài)噪聲都符合題目的要求。使用MP3作為輸入信號時，接收端無失真。設計的功率顯示電路可以正常顯示，成功的完成了任務。

5.總結

經過設計、調試和運行，設計的基于大功率白光LED的可見光通信裝置完成了音頻信號、固定頻率單音信號、模擬波形信號的傳輸等功能，通過對測試結果進行了詳細的驗證分析，達到了要求的功能，但由于自身水平有限和時間緊迫等因素，本方案在設計上存在一些值得改進的地方，在接下來的工作中，通過對軟硬件的進一步完善，使裝置控制效果更優(yōu)。

參考文獻：

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