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基于51單片機(jī)的LED可見光點(diǎn)對點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)研究

2016-12-19 06:24張笑航武向農(nóng)喬印雪
黃山學(xué)院學(xué)報(bào) 2016年5期
關(guān)鍵詞:接收端字符二極管

張笑航,武向農(nóng),周 明,喬印雪

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海200234)

基于51單片機(jī)的LED可見光點(diǎn)對點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)研究

張笑航,武向農(nóng),周 明,喬印雪

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海200234)

可見光通信技術(shù)是一種新型帶寬無線通信技術(shù),其采用發(fā)光二極管(LED)作為光源,利用LED燈光承載的高速明暗閃爍信號(hào)來傳輸信息。根據(jù)可見光通信原理,基于51單片機(jī)提出一種LED可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)的定向視距鏈路通信方式,發(fā)射端選用OOK-NRZ脈沖調(diào)制方式對LED發(fā)光陣列進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送信號(hào),接收端采用光強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測技術(shù)對接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào),然后通過1602字符型液晶顯示器顯示接受信息。實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)在30cm距離范圍內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)基本英文字符的發(fā)送、接收與顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠通過可見光實(shí)現(xiàn)簡單的單工數(shù)據(jù)通信功能,具有低成本、低功耗及體積小等優(yōu)點(diǎn)。

可見光通信;51單片機(jī);LED;LCD1602;單工數(shù)據(jù)通信

1 引 言

2000年可見光通信技術(shù)(VLC)作為一種新的帶寬無線通信技術(shù)橫空出世,它采用發(fā)光二極管(LED)作光源,利用LED發(fā)出的高速明暗閃爍燈光來調(diào)制和傳輸信息,接收端則使用光電二極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換,獲取 LED燈光中承載的信息[1-4]。白光LED現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信號(hào)發(fā)射、顯示、照明等領(lǐng)域。相比于其它光源,白光LED具有更高的調(diào)制帶寬,并且它還具有調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),利用這些特性,可以實(shí)現(xiàn)可見光的高速通信。

目前,國內(nèi)關(guān)于可見光通信技術(shù)的研究主要集中在理論研究和仿真分析方面,也有一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行了可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究,但因?yàn)榇嬖谝恍┫拗埔蛩?,所以距離實(shí)際應(yīng)用還存在一定的距離,如白光LED有限的帶寬嚴(yán)重限制了傳輸速率,編碼與信號(hào)處理芯片性能和集成度較低,阻礙了可見光通信技術(shù)的發(fā)展[1]。因此,本文立足于國內(nèi)室內(nèi)可見光通信研究現(xiàn)狀,基于51單片機(jī)研究和設(shè)計(jì)了一種LED可見光通信系統(tǒng),初步實(shí)現(xiàn)了LED可見光單工數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)采用了STC89C52RC單片機(jī)芯片,完成了LED可見光通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明,系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行穩(wěn)定,證明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。最后,總結(jié)了本系統(tǒng)的性能,并對本系統(tǒng)的不足進(jìn)行了說明,給出了改進(jìn)的方法。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

基于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)射機(jī),傳輸信道和信號(hào)接收機(jī)構(gòu)成。在發(fā)送端,原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理以及存儲(chǔ)與編碼之后,通過LED驅(qū)動(dòng)電路,對LED進(jìn)行脈沖調(diào)制,從而將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)弱變化的光信號(hào)。承載著傳輸數(shù)據(jù)的光信號(hào)在室內(nèi)自由空間光信道中進(jìn)行傳輸,到達(dá)接收端后,接收機(jī)通過光電二極管,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后對電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、解調(diào)與解碼之后,恢復(fù)出相應(yīng)的原始傳輸數(shù)據(jù),并將結(jié)果顯示在字符型液晶顯示器上。LED可見光通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 LED可見光通信系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 VLC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)

VLC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)電路原理如圖2所示。

圖2 VLC系統(tǒng)發(fā)射機(jī)電路原理圖

1.串口通信模塊:本模塊串行口工作模式為模式1:8位UART(通用異步收發(fā)傳輸器),波特率可根據(jù)需要進(jìn)行改變。同時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)生信源信息時(shí)使用了串口通信模塊,并對得到的二進(jìn)制字符序列進(jìn)行了編碼調(diào)制。系統(tǒng)選用的是OOK-NRZ脈沖調(diào)制方式,該調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)簡單,常用于可見光通信系統(tǒng)的性能測試。

2.發(fā)射模塊:本模塊核心器件為STC89C52RC單片機(jī),特點(diǎn)為抗干擾性強(qiáng),高速且低功耗,是一種增強(qiáng)型8051單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)作為主控芯片,同時(shí)具有復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及程序下載調(diào)試電路。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過串口通信傳送給主控芯片,然后在STC89C52RC單片機(jī)的控制下驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)模塊[5]。

3.LED驅(qū)動(dòng)模塊:由于串口通信模塊輸出的信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后的電流很小,不足以驅(qū)動(dòng)LED陣列工作,所以需要設(shè)計(jì)專門的LED驅(qū)動(dòng)電路來為LED的正常工作提供恒定的驅(qū)動(dòng)電流。白光LED陣列驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示,系統(tǒng)光源采用直徑5mm的3×8LED陣列,使用強(qiáng)度調(diào)制將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào),光信號(hào)隨輸入電信號(hào)的強(qiáng)弱變化而變化,并通過室內(nèi)自由空間光信道傳遞可見光數(shù)據(jù)。

圖3 LED陣列驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3.2 VLC系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)

VLC系統(tǒng)接收機(jī)電路原理如圖4所示。

圖4 VLC系統(tǒng)接收機(jī)電路原理圖

1.光電轉(zhuǎn)換模塊:在接收端系統(tǒng)中,光電探測器采用光強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測技術(shù),利用光電二極管接收可見光數(shù)據(jù),同時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。同時(shí),考慮到PIN型光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度好,響應(yīng)速度較快,無需高工作電壓且價(jià)格較低,因此系統(tǒng)中選擇了PIN型光電二極管。

2.字符型液晶顯示器模塊:本系統(tǒng)使用的是1602字符型液晶顯示器,基本參數(shù)為:(1)顯示容量16×2個(gè)字符;(2)芯片工作電壓4.5-5.5V;(3)工作電流2.0mA;(4)字符尺寸2.95×4.35(W×H)mm。1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖及其電路原理圖如圖5和圖6所示。

圖5 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖

圖6 1602字符型液晶顯示器電路原理圖

3.光數(shù)據(jù)接收模塊:當(dāng)接收端光敏二極管檢測到LED光強(qiáng)度的變化時(shí),將光信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換得到電信號(hào),之后電信號(hào)還需要進(jìn)行濾波、信號(hào)放大等處理過程才能進(jìn)入解調(diào)模塊,經(jīng)過解調(diào)出的信號(hào)為0、1序列,經(jīng)過串口通信傳送至接收端主控芯片,至此還原出發(fā)射端傳送的數(shù)據(jù)[6-7]。光數(shù)據(jù)接收電路原理圖如圖7所示。

圖7 光數(shù)據(jù)接收電路原理圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,發(fā)射板是通過USB接口連接PC機(jī)供電,接收板則是通過3節(jié)5號(hào)電池供電。本系統(tǒng)電路實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 基于51單片機(jī)的VLC系統(tǒng)電路實(shí)物圖

我們對系統(tǒng)進(jìn)行了如下測試,并觀察了信號(hào)的發(fā)射接收狀況。

4.1 測試準(zhǔn)備

1.檢查發(fā)射板和接收板是否供電:發(fā)射板供電時(shí),無論發(fā)射端有沒有數(shù)據(jù)傳輸,LED陣列常亮,此時(shí)為待傳送數(shù)據(jù)狀態(tài);接收板供電時(shí),1602字符型液晶顯示屏被點(diǎn)亮,顯示字符:“Receive Data:”,此時(shí)為待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。

2.接收板調(diào)試:在室內(nèi)環(huán)境下,接收板上的紅色發(fā)光二極管是熄滅狀態(tài);同時(shí),在不同環(huán)境下,可通過小螺絲刀調(diào)節(jié)微調(diào)電位器,控制接收板芯片電壓輸出大小。

3.檢測通信狀態(tài):接收板調(diào)試好后,打開發(fā)射板的LED陣列,調(diào)整發(fā)射板和接收板的距離 (約20cm),當(dāng)接收板上的紅色發(fā)光二極管為點(diǎn)亮狀態(tài),則表明可以進(jìn)行可見光數(shù)據(jù)通信。

4.2 測試步驟

1.數(shù)據(jù)通信測試:發(fā)射板上有S1-S6共6個(gè)按鍵,分別控制a-f 6個(gè)小寫英文字符的發(fā)送。測試時(shí),我們依次按下6個(gè)按鍵,觀察接收板上的數(shù)據(jù)接收狀況。

2.遮擋物干擾測試:測試時(shí),在發(fā)射板和接收板之間加設(shè)一個(gè)遮擋物(如:白紙),通過按鍵改變發(fā)射板發(fā)射的數(shù)據(jù)內(nèi)容,觀察接收板上的數(shù)據(jù)接收狀況。

3.通信鏈路測試:測試時(shí),改變發(fā)射板的位置,使發(fā)射板與水平線呈一定角度,通過按鍵改變發(fā)射板發(fā)射的數(shù)據(jù)內(nèi)容,觀察接收板上的數(shù)據(jù)接收狀況。

4.通信距離測試:測試時(shí),不斷增加發(fā)射板與接收板之間的距離,通過按鍵改變發(fā)射板發(fā)射的數(shù)據(jù)內(nèi)容,觀察接收板上的數(shù)據(jù)接收狀況。

4.3 測試結(jié)果分析

1.數(shù)據(jù)通信測試:測試中,按下發(fā)射板的S1鍵,其對應(yīng)的數(shù)據(jù)“No.1:a”經(jīng)過系統(tǒng)傳輸后,接受板的1602字符型液晶顯示屏上準(zhǔn)確顯示出“Receive Data:No.1:a”,測試中,系統(tǒng)將待傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過脈沖編碼調(diào)制,通過可見光通信信道,從發(fā)射端傳輸至接收端,且接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。測試結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了簡單的實(shí)時(shí)單工數(shù)據(jù)通信。測試觀察結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)通信測試結(jié)果圖

2.遮擋物干擾測試:測試中,當(dāng)遮擋物阻斷可見光通信信道時(shí),通信中斷。測試結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)僅適用于室內(nèi)無阻隔條件下的點(diǎn)對點(diǎn)通信,當(dāng)發(fā)射端和接收端之間無障礙物時(shí),通信效率較高。此時(shí)接收板上的紅色發(fā)光二極管是熄滅狀態(tài)。測試中,我們改變發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容,雖然發(fā)射板仍在發(fā)送光信號(hào),但接收板的1602字符型液晶顯示屏上的接收數(shù)據(jù)內(nèi)容沒有改變,說明通信中斷;移除遮擋物后,通信恢復(fù)正常,這也說明觀察到的接受數(shù)據(jù)是從可見光通信信道傳輸后收到的。測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 遮擋物干擾測試結(jié)果圖

3.通信鏈路測試:測試中,當(dāng)發(fā)射端與水平線偏離達(dá)30°時(shí),通信中斷。測試結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)僅適用于直射式視距鏈路,當(dāng)發(fā)射端和接收端對準(zhǔn)時(shí),鏈路的功率利用率較高。經(jīng)實(shí)際測量,發(fā)射板與水平線偏離達(dá)30°時(shí),接收板上的紅色發(fā)光二極管為熄滅狀態(tài),此時(shí),接收數(shù)據(jù)內(nèi)容不再變化,通信中斷。測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 通信鏈路測試結(jié)果圖

4.通信距離測試:測試中,當(dāng)發(fā)射端與接收端之間的距離超過30cm,通信中斷。測試結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可見光通信系統(tǒng)僅適用于室內(nèi)近距離通信,當(dāng)發(fā)射端與接收端之間的距離在30cm以內(nèi),通信成功率較高。我們發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)環(huán)境下,發(fā)射板與接收板之間的距離在30cm以內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)有效的可見光通信;若距離超過30cm,接收板上的紅色發(fā)光二極管為熄滅狀態(tài),通信中斷。測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 通信距離測試結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng),采用抗干擾、高速且低功耗的STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行控制,利用串口通信實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,且系統(tǒng)使用USB和5號(hào)電池供電,體積小,便于攜帶。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)操作方便,能夠通過可見光實(shí)現(xiàn)簡單的單工數(shù)據(jù)通信,可以應(yīng)用于室內(nèi)視距可見光通信系統(tǒng)。

雖然本文基本實(shí)現(xiàn)了LED室內(nèi)可見光通信,但仍存在以下問題:(1)本文中的發(fā)射板是通過USB供電,接收板是通過5號(hào)電池供電,不是很方便,后續(xù)工作可以優(yōu)化供電問題。(2)系統(tǒng)采用的脈沖編碼方式,雖簡單易行,但沒有考慮碼間干擾等影響,后續(xù)可利用正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù),有效抵抗多徑干擾,提高頻帶利用率。

[1]遲楠.LED可見光通信技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011:12-15.

[2]俞洋.基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù),2014,31(4):50-52.

[3]王濤.基于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2013,37(9):61-63.

[4]DIMITROV S,SINANOVIC Sinan,HA-AS H,et al. Signal shaping and modulation for optical wireless communication[J].Journal of Lightwave Technology,2012, 30(9):1319-1328.

[5]孫新鳳,張健,王新娜,等.LED點(diǎn)陣書寫顯示屏的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2010,34(S1):121-123.

[6]吳瑕.基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:華中師范大學(xué),2014.

[7]駱漢光,何志毅,何寧.大功率LED無線光通信的高速脈沖調(diào)制技術(shù)研究[J].光通信技術(shù),2013,37(4):43-46.

責(zé)任編輯:胡德明

An Experimental Research on Point-to-Point Communication of LED Visible Light Based on 51 Microcontroller

Zhang Xiaohang,Wu Xiangnong,Zhou Ming,Qiao Yinxue
(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Visible light communication technology is a new kind of bandwidth wireless communication technology,which uses light-emitting diode (LED)as light source,the information transmitted by highspeed flash signals carried by white LED.According to the theory of the visible light communication and based on 51 single chip microcomputer,a design scheme of LED visible light communication system is put forward.The system uses the communication mode based on point-to-point directional line-of-sight link. The transmitter chooses OOK-NRZ pulse modulation mode to modulate the LED array and transmit signals, and the receiver demodulates the received signal through the light intensity modulated-direct detection technology,and then the received information will be displayed on the 1602 character-type LCD.In experiments,system can send,receive and display basic English characters within the range of 30cm.The experimental results indicate that the system is able to achieve the function of simple data communication through visible light,with the advantages of low cost,low power consumption and small in size.

visible light communication;51 microcontroller;LED;LCD1602;simple data communication

TN929.1

A

1672-447X(2016)05-0013-05

2016-05-27

上海市自然科學(xué)基金(13ZR1430400);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ070)

張笑航(1992-),安徽黃山人,上海師范大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)楣饫w傳感,可見光通信;

武向農(nóng)(1970-),安徽合肥人,上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院副教授,研究方向?yàn)楣饫w通信,光纖傳感,光載無線通信;

周明(1990-),安徽六安人,上海師范大學(xué),碩士研究生,研究方向?yàn)楣饫w傳感與解調(diào);

喬印雪(1992-),新疆烏魯木齊人,上海師范大學(xué),研究方向?yàn)榭梢姽馔ㄐ拧?/p>

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