劉永勤 韓麗君

摘要：針對(duì)LED可見(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的可見(jiàn)光音頻通信裝置，采用白光LED實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信。該設(shè)計(jì)以STM32F103單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)兩部分，音頻解碼模塊選用VS1053b。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的定向傳輸，傳輸過(guò)程中無(wú)明顯失真，傳輸距離可達(dá)4m。

關(guān)鍵詞：白光LED;可見(jiàn)光通信;STM32F103單片機(jī);VS1053b音頻解碼芯片

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0029-02

可見(jiàn)光通信（VLC）是一種采用可見(jiàn)光波段頻譜傳輸信息的技術(shù)。VLC技術(shù)依托廣泛覆蓋的照明燈具、顯示屏幕、照相設(shè)備等發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）光源所發(fā)出的肉眼不易察覺(jué)的高速明暗變化來(lái)傳遞信息，它兼顧LED照明和數(shù)據(jù)通信功能，不僅能作為室內(nèi)寬帶通信接入方式，解決無(wú)線局域網(wǎng)“頻譜緊張”、“深度覆蓋”等問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)智能交通管理、室內(nèi)定位應(yīng)用等，將在未來(lái)通信領(lǐng)域占有重要的地位。

國(guó)內(nèi)外研究方面，日本學(xué)者首先提出了VLC的概念[1]。2000年，日本研究學(xué)者首先提出并仿真了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。2008年，歐盟開(kāi)展OMEGA項(xiàng)目，發(fā)展1Gbit/s以上的超高速家庭接人網(wǎng)研究，VLC無(wú)線通信技術(shù)是研究焦點(diǎn)之一。2012年，英國(guó)、美國(guó)的科學(xué)家開(kāi)展“超并行可見(jiàn)光通信”（UP-VLC）項(xiàng)目，探索自由空間和空間復(fù)用導(dǎo)波VLC的實(shí)施方案[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)VLC技術(shù)的研究起步較晚，西安理工大學(xué)、暨南大學(xué)、長(zhǎng)春理工大學(xué)等高校在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，也取得了很多研究成果[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 可見(jiàn)光通信原理

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括完整的發(fā)射端、傳輸信道和接收部分。原始的二進(jìn)制比特流經(jīng)過(guò)預(yù)處理和編碼調(diào)制之后，驅(qū)動(dòng)LED，對(duì)LED進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。預(yù)處理，即預(yù)均衡，是為了補(bǔ)償器件、信道對(duì)信號(hào)帶來(lái)的失真，通過(guò)采用預(yù)均衡技術(shù)可以提高LED的響應(yīng)帶寬，提高傳輸速率。而在接收端進(jìn)行的后均衡，可以補(bǔ)償其他信道損耗，如相位噪聲等。編碼調(diào)制是為了在有限的帶寬上實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。由于受到可見(jiàn)光通信帶寬的限制，為了提高白光LED通信系統(tǒng)的傳輸速率，在發(fā)射端可以通過(guò)設(shè)計(jì)和采用高階的調(diào)制編碼技術(shù)，來(lái)提高傳輸?shù)念l譜效率，從而實(shí)現(xiàn)高速傳輸。目前多采用高階調(diào)制格式為QAM-OFDM。

1.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)可見(jiàn)光通信原理，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的可見(jiàn)光音頻通信裝置，主要用于短距離音頻通信，裝置以STM32F103單片機(jī)作為主控器件，主要包含音頻存儲(chǔ)器、發(fā)射模塊、接收模塊三個(gè)部分。在發(fā)射端，由STM32F103單片機(jī)、W5500通信單元、VS1053b音頻解碼芯片和LED可見(jiàn)光調(diào)制電路組成。W5500通信單元連接存儲(chǔ)器和發(fā)射端控制模塊，將存儲(chǔ)器的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)控制單元，單片機(jī)將音頻數(shù)據(jù)寫(xiě)入解碼芯片VS1053b變?yōu)橐纛l模擬信號(hào)，然后送到LED調(diào)制電路進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制電路選擇光源LWW5SM，通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制方式將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。在接收端，由可見(jiàn)光接收電路、驅(qū)動(dòng)電路和揚(yáng)聲器組成，采用光電二極管BPX65作為接收器件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)選取STM32F103單片機(jī)為核心控制器件，該器件功耗低、性能高，同時(shí)集成了復(fù)位模塊和時(shí)鐘晶振。在揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)部分，因?yàn)樵捦仓苯咏訂纹瑱C(jī)存在信號(hào)過(guò)于微弱，需要選擇一個(gè)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行等比放大的芯片來(lái)進(jìn)行信號(hào)放大。MAX9814用于對(duì)話筒的信號(hào)進(jìn)行放大處理，它可以完成對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行20DB的增益放大，使得ADC轉(zhuǎn)換可以更好的完成，避免了聲音采集過(guò)程中出現(xiàn)聲音過(guò)小的情況。我們選用MAX9814音頻放大器，音頻信號(hào)首先由單片機(jī)進(jìn)行采集，然后經(jīng)MAX9814芯片進(jìn)行放大。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軟件功能的主要語(yǔ)言為C++，軟件平臺(tái)使用意法半導(dǎo)體公司發(fā)布的STM32CubeIDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。軟件的設(shè)計(jì)主要分為主機(jī)程序（聲音采集與發(fā)射端）、從機(jī)程序（接收與聲音還原端）兩大模塊?？梢栽陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用意法半導(dǎo)體推薦的HAL庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這樣可以提高軟件開(kāi)發(fā)效率，并且縮短開(kāi)發(fā)的周期。該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)分別是由串口初始化、ADC初始化、DMA初始化和循環(huán)信號(hào)采集與發(fā)送組成。從機(jī)程序主要有系統(tǒng)初始化、使能串口中斷、DAC初始配置，開(kāi)啟中斷、接收數(shù)據(jù)并配置給DAC。

3 系統(tǒng)調(diào)試

該裝置在測(cè)試時(shí)，使LED正對(duì)著光電探測(cè)器，用信號(hào)發(fā)生器輸入1kHz的正弦交流信號(hào)，改變發(fā)射端和接收端的距離進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)示波器觀察接收端波形。通過(guò)在發(fā)射端輸入音頻信號(hào)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)射端和接收端距離的逐漸增大，揚(yáng)聲器發(fā)生的聲音在逐漸減小直至消失，在不加透鏡聚光的情況下通信距離達(dá)30cm。在發(fā)射端和接收端中間用遮光片逐漸遮擋接收端探頭，揚(yáng)聲器的聲音逐漸減小，當(dāng)遮光片完全遮擋探頭時(shí)，揚(yáng)聲器聲音消失。

4 結(jié)論

本裝置結(jié)果簡(jiǎn)單，成本低廉，通過(guò)LED強(qiáng)度調(diào)整將音頻信號(hào)以可見(jiàn)光形式發(fā)射，通過(guò)光電探測(cè)器件將其恢復(fù)為原始音頻信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器播放，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光音頻的通信功能。該裝置通過(guò)增加透鏡聚光和光反射等方式，通信距離可以提高到4m，同時(shí)該裝置還具有白光照明的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁德強(qiáng)，柯熙政.可見(jiàn)光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2006（2）：114-117.

[2] 遲楠.LED可見(jiàn)光通信技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 云文岳.室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.