基于STM32的LED可見光通信系統(tǒng)

陳昊 潘欣裕 趙浩剴 李鳳

摘 要：當(dāng)今時(shí)代，雖然無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，但可用于通信傳輸?shù)臒o線電頻帶寬度非常有限。同時(shí)，在諸多場(chǎng)合下，為了避免電磁輻射對(duì)人體造成危害，電磁波的發(fā)射功率會(huì)受到限制。而LED可見光具有帶寬覆蓋廣、綠色環(huán)保、節(jié)能、使用壽命長等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)能很好地解決當(dāng)前無線電存在的問題，為此文中設(shè)計(jì)了一個(gè)LED可見光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于主控芯片STM32F407ZET6，利用LED發(fā)出肉眼感覺不到的閃爍信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂信號(hào)的采集、傳輸、接收和播放等功能，能夠同時(shí)滿足照明與通信的需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，LED可見光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音樂信號(hào)的傳輸，具有誤碼率低，傳輸效果顯著等特點(diǎn)，對(duì)通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：LED;可見光通信;STM32F407ZET6;閃爍信號(hào);基帶傳輸;音樂信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）10-00-04

0 引 言

LED可見光通信系統(tǒng)利用LED發(fā)出肉眼感覺不到的明暗閃爍的光信號(hào)，通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)[1]。人們?cè)诶肔ED作為照明光源的同時(shí)，通過控制芯片將信號(hào)調(diào)制到LED上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種可見光通信技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[2-3]。

作為最早提出可見光通信技術(shù)理念并展開研究的國家，日本在可見光技術(shù)的研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位[4]。2003年，Komine對(duì)室內(nèi)可見光通信進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了室內(nèi)LED燈的多次布局與信號(hào)測(cè)試[5]。2006年，Sugiyamaga改進(jìn)了脈沖調(diào)制技術(shù)，提出了SCI-PPM調(diào)制方法[6]。2009年，Komine等研究團(tuán)隊(duì)為了解決可見光通信系統(tǒng)的符號(hào)間干擾問題，提出了自適應(yīng)均衡器[7]。

就目前對(duì)于可見光發(fā)展的現(xiàn)況而言，日本起步較早，技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟，同時(shí)美國與歐盟等國家也取得了較多成果，使得可見光通信技術(shù)獲得更多新的突破[8]。我國對(duì)LED可見光通信的研究起步較晚，但在近幾年也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。2013年，復(fù)旦大學(xué)的遲楠教授和其研究小組將可見光通信技術(shù)的光傳輸離線速率提高到了3.7 Gb/s，實(shí)時(shí)速率達(dá)到150 Mb/s [9]。

當(dāng)前，光通信技術(shù)的發(fā)展呈快速增長趨勢(shì)，人們對(duì)光通信技術(shù)給予了更多關(guān)注[10]。LED可見光通信技術(shù)適用于醫(yī)療、軍事、航空、交通等領(lǐng)域[11]。由此可見，這項(xiàng)技術(shù)在未來擁有巨大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的前景[12]。

本文設(shè)計(jì)了一種用于室內(nèi)短距離的可見光通信系統(tǒng)，通過光發(fā)射器與光接收器之間單向無線傳輸?shù)墓馔ㄐ欧绞剑趯?shí)現(xiàn)照明的基礎(chǔ)上，利用STM32F407ZET6作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)LED單向通信。

1 LED可見光通信硬件系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

LED可見光通信系統(tǒng)傳輸音樂信號(hào)設(shè)計(jì)模塊：實(shí)時(shí)高速采集音樂信號(hào)并將模擬信號(hào)數(shù)字化，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)采用串口通信協(xié)議，通過串口發(fā)送端驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)送信號(hào)，采用高速光電接收二極管接收光信號(hào)。LED可見光通信發(fā)射板硬件實(shí)物如圖1所示，LED可見光通信接收板硬件實(shí)物如圖2所示。

1.2 硬件系統(tǒng)各主要模塊

1.2.1 音樂信號(hào)采集模塊

音樂信號(hào)的高保真采樣速率為44.1 kHz，為了滿足高速率無失真將音樂模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，此模塊采用核心處理器STM32F407ZET6，相比于STM32F1系列具有更快的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度，更低的ADC/DAC工作電壓，最高運(yùn)行頻率可達(dá)168 MHz，而STM32F1只有72 MHz;STM32F407ZET6擁有兩個(gè)DMA控制器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)DMA采集與數(shù)據(jù)發(fā)送，極大地提高了CPU的效率。

STM32F407ZET6的ADC芯片只能采集0～3.3 V的信號(hào)，而音樂信號(hào)是正負(fù)電平信號(hào)，所以在ADC采集信號(hào)前，需要添加電壓偏置電路，將正負(fù)信號(hào)偏置到0～3.3 V范圍內(nèi)。通過如圖3所示的電壓偏置電路，可將正負(fù)音樂信號(hào)偏置為ADC能采集的0～3.3 V正電壓信號(hào)。

1.2.2 LED驅(qū)動(dòng)模塊

音樂信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)后，需要驅(qū)動(dòng)LED燈通過光的形式將信號(hào)發(fā)送出去。然而單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，為了增強(qiáng)LED燈光照強(qiáng)度，此系統(tǒng)串口發(fā)送端加了一級(jí)三極管驅(qū)動(dòng)模塊。LED驅(qū)動(dòng)模塊如圖4所示，STM32F407ZET6單片機(jī)串口發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí)為3.3 V，此時(shí)LED1燈亮;發(fā)送數(shù)據(jù)0時(shí)為0 V，此時(shí)LED1燈滅。

1.2.3 光電二極管接收模塊

本文系統(tǒng)采用硅光電池光電二極管接收光發(fā)送的信號(hào)，光電二極管接收模塊如圖5所示，D1是光電二極管接收光信號(hào)端。

此模塊有3級(jí)電路，第1級(jí)電路是IV轉(zhuǎn)換電路。光電二極管采集到的小電流信號(hào)經(jīng)過由AD825芯片組成的IV轉(zhuǎn)換信號(hào)電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

第2級(jí)電路是信號(hào)放大電路。電壓信號(hào)從14端口輸出，經(jīng)過LF353運(yùn)放搭建的小信號(hào)放大電路，將電壓信號(hào)放大，放大倍數(shù)為R7/R10，通過調(diào)節(jié)R7滑動(dòng)變阻器可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，最大放大倍數(shù)為100。

第3級(jí)電路是電壓偏置電路。該電路通過減法器給交流信號(hào)疊加直流信號(hào)，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。其操作方法是調(diào)節(jié)R1滑動(dòng)變阻器，改變運(yùn)放LM353負(fù)端口的電壓值，實(shí)現(xiàn)輸出電壓偏置。

1.2.4 電壓判決模塊

由于LED可見光傳輸?shù)慕橘|(zhì)是空氣，那么必然會(huì)存在背景光的干擾。同時(shí)電路中運(yùn)放存在結(jié)電容，光電二極管接收后的方波信號(hào)會(huì)變形失真。所以本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓判決模塊，將接收到的信號(hào)整形成與發(fā)送信號(hào)一致的方波信號(hào)，電路如圖6所示。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R5可調(diào)節(jié)判決電壓的大小，假設(shè)判決電壓為Vp，光電二極管接收后的信號(hào)接入輸入端IN口，若輸入電壓Vo>Vp，則電路OUT輸出端輸出高電平3.3 V;若Vo

1.2.5 信號(hào)輸出模塊

通過電壓判決整形后的信號(hào)接入STM32F407ZET6單片機(jī)的串口接收端，接收發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC輸出音樂信號(hào)，音樂信號(hào)去除直流信號(hào)后，接入音響或喇叭播放音樂。串口發(fā)送接收的數(shù)據(jù)是8位數(shù)據(jù)，ADC是12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以發(fā)送板主控芯片將采集到的數(shù)據(jù)右移4位，然后發(fā)送。DAC是12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所以接收板主控芯片將串口接收到的數(shù)據(jù)左移4位，然后經(jīng)DAC輸出。忽略信號(hào)后4位數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)傳輸效果影響不大，卻提高了通信速率。

2 LED可見光通信軟件系統(tǒng)

2.1 LED發(fā)送系統(tǒng)

LED可見光通信軟件系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編寫，通過STM32F407ZET6單片機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)處理。軟件系統(tǒng)發(fā)送流程如圖7所示。

系統(tǒng)運(yùn)行后，首先初始化定時(shí)器、ADC、串口、DMA，然后等待定時(shí)器中斷。ADC采用硬件觸發(fā)，定時(shí)器中斷1次，ADC采集1次數(shù)據(jù)，所以定時(shí)器中斷觸發(fā)頻率便是ADC采樣頻率。ADC采集1次，觸發(fā)1次DMA請(qǐng)求，DMA將ADC采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中，DMA傳輸能提高CPU的處理效率，同樣也能提高ADC的采集速率。數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存，等待定時(shí)器中斷，處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送。

2.2 LED接收系統(tǒng)

LED接收系統(tǒng)同樣采用STM32F407ZET6單片機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)接收流程如圖8所示。

系統(tǒng)運(yùn)行后，初始化定時(shí)器，串口，DMA，DAC，串口實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)后，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并申請(qǐng)DMA請(qǐng)求，將數(shù)據(jù)傳輸至DAC輸出。發(fā)送模塊與接收模塊的定時(shí)器中斷觸發(fā)速率設(shè)置相同，實(shí)現(xiàn)發(fā)送模塊ADC采集速率與接收模塊DAC輸出速率相同。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文測(cè)試通過示波器測(cè)試LED發(fā)送信號(hào)的波形與光電二極管接收后的波形進(jìn)行比較，以測(cè)試LED可見光通信的效果。

未整形方波信號(hào)如圖9所示，圖中下方波形是STM32F407ZET6單片機(jī)輸出的占空比為50%的方波，頻率為10 kHz，上方波形是光電二極管接收模塊接收后的波形。從圖中可以看出，由于結(jié)電容等的干擾，接收信號(hào)出現(xiàn)失真。

整形后方波信號(hào)如圖10所示，圖中上方波形還是STM32F407ZET6單片機(jī)輸出的方波，下方波形是光電二極管接收模塊接收到信號(hào)后經(jīng)過電壓判決模塊得出的波形，接收信號(hào)通過電壓判決整形后，輸出的是和發(fā)送端相同的方波信號(hào)。

占空比為10%的方波如圖11所示，圖中下方波形是STM32F407ZET6單片機(jī)調(diào)節(jié)占空比后發(fā)送的波形，上方波形是電壓判決后輸出的波形。從圖中可以看出，發(fā)送的波形與接收處理后的波形完全一致。

通過手機(jī)播放音樂信號(hào)，由音樂信號(hào)采集模塊采集音樂信號(hào)，然后通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)。音樂信號(hào)串口傳輸如圖12所示，圖中下方波形是串口發(fā)送的音樂編碼信號(hào)，上方波形是電壓判決后接收到的音樂編碼信號(hào)。從圖中可以看出，串口接收到的信號(hào)與發(fā)送信號(hào)一致，能正確接收LED燈傳輸?shù)墓庑盘?hào)。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于STM32F407ZET6的LED可見光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)采集、傳輸、播放等功能，能將需要傳輸?shù)男盘?hào)通過LED可見光的形式傳輸，具有高速數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)能環(huán)保及不受頻譜限制等優(yōu)勢(shì)。但是該系統(tǒng)的高速傳輸與低誤碼率需要高閃爍頻率和低發(fā)散的LED燈的支持，而高性能的LED燈價(jià)格高昂，不利于普及，所以研發(fā)出合適的LED燈是當(dāng)前的一大挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)照明與通信雙重作用的LED可見光通信系統(tǒng)能為以后的寬帶接入提供一種全新方式，適用于醫(yī)療醫(yī)學(xué)、航空航天、人工智能、交通系統(tǒng)等領(lǐng)域，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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