基于大功率白光LED的可见光通信

宋其岩，赵阳，刘福有，杨婧

（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250358）

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。

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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

收稿日期：2014?11?23

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，无需复杂的外围电路，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。

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：

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，调试外围元件参数，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。

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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.