基于51单片机的LED可见光通信系统

王 涛

(青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810007)

LED可见光无线通信是一种新兴光通信技术，它利用LED发出的高速明暗闪烁灯光实现信息的调制和传输，利用光电二极管实现光电转换，获取信息［1－4］。

LED可见光无线通信避免了电磁干扰，而且无需申请频段，非常适合应用在展示导游、智能型道路交通系统、医院、室内信息传输等领域。随着各国对此技术不断深入研究，LED可见光无线通信正呈现越来越大的应用价值［5－6］。日本、德国等发达国家已在这方面走在前面，德国研究人员在2010年研制出500 Mbit/s的可见光通信系统，日本更是极力发展应用该技术，在日本东京举行的2012尖端技术展上，可见光通信正向智能机渗透，以卡西欧为代表的若干家企业均拿出了将可见光作为信息载体的传输技术。

目前，国内在此领域正处于研发阶段，国家已启动的“十城万盏”照明工程为LED可见光通信的应用提供了广阔空间。本课题立足于国内可见光通信的现状，研究了基于51单片机的LED可见光单工通信系统，初步实现了LED可见光数据通信。

1 系统组成

系统主要由发射板、接收板组成，系统框图如图1所示。发射板和接收板经USB转串口模块连接PC机，采用光强度调制一直接检测(IM－DD)技术，进行可见光信号的发射和接收，从而实现PC机之间的可见光数据通信。

图1 系统框图

1)PC机:显示观察发送数据和接收数据。

2)发射端USB转串口模块:连接发射端MCU控制模块到PC机USB接口，将PC机串口调试助手中发送的数据送入MCU控制模块串口。

3)发射端MCU控制模块:核心器件为超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机，PC机中送来的数据信息在STC89C52RC单片机控制下驱动LED驱动电路［7］。

4)LED驱动模块:主要由LED驱动电路和LED阵列光源组成。研究表明，环境光照度大于150 lux时，环境光对传输会形成干扰，当环境光照度小于此门限值时且光源足够强时，环境光的干扰基本可以忽略［8］，因此系统光源采用直径5 mm的3×8 LED阵列，用光强度调制将电信号转换为光信号，光强度信号随输入信号电流变化，实现调制，发送出可见光数据。LED驱动电路中，考虑到运算放大器的工作频率比较低，而单一晶体管可以完成百兆赫兹到吉赫兹级工作，所以系统中LED阵列驱动器件选择单一晶体管。

5)无线光通信信道:图2是室内无线光通信系统的线性基带传输模型［9］。

图2 室内无线光通信系统的线性基带传输模型

图2中f(t)是输入的发射光，R是光敏元件的响应效率，h(t)是基带信道的脉冲响应，N(t)是光噪声，y(t)是输出光电流，其表达式为

y(t)跟光检测器表面接收到的瞬时光功率的积分成比例关系。系统信道中的太阳光、荧光灯灯光等均可视为光噪声，通过使用光学滤光片和聚光镜可以对光噪声进行有效削弱。透镜能对发射光进行聚焦，同时能扩大光敏元件的接收范围，光学滤光片可以滤除杂散光，这些都有利于提高信道传输质量，延长通信距离。

6)光电接收模块:采用光电二极管光接收可见光数据，将光信号转换为电信号。光电二极管接收到的光强和其自身的有效接收面积成正比，在视距链路中，接收端可以采用减小接收机视角或者增加透镜折射率的方法来增加光电二极管的有效接收面积［10］。

光电接收模块采用直接检测技术，将接收到的光信号经光电二极管还原成电信号。考虑到PIN光电二极管与雪崩光电二极管相比，虽然PIN光电二极接收灵敏度较低，但PIN光电二极管的光电转换线性度好，工作电压较低，响应速度快，价格也较低，所以系统中选择PIN光电二极管。

7)接收端MCU控制模块:核心器件为超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机，对光电接收模块产生的信号进行处理，恢复成数据信息。

8)接收端USB转串口模块:连接接收端MCU控制模块到PC机USB接口，将MCU控制模块串口发出的数据送入PC机串口调试助手中进行显示。

2 基于51单片机的VLC系统单工通信实验

USB转串口模块1一端连接好发射板上单片机的接口后，对发射板加电，另一端通过USB接口连接PC机COM3口。USB转串口模块2一端连接好接收板上单片机的接口后，对接收板加电，另一端通过USB接口连接PC机COM4口，电路实物图如图3所示。

图3 基于51单片机的VLC单工通信系统电路实物图

利用PC机中串口调试助手，对系统进行了如下实验，在高速调制下观察了信号的传输接收状况。

1)手动发送实验。波特率均设置为600，在PC机COM3口发送区发送数据“Visible Light Communication!My Visible Light Communication!ok!!”，数据手动发送，经过基于51单片机的VLC单工通信系统后，PC机COM4口接收区迅速准确显示出“Visible Light Communication!My Visible Light Communication!ok!!”。实验观察结果如图4所示。

图4 手动发送实验结果(截图)

2)自动发送实验。波特率均设置为600，发送数据不变，将手动发送改为自动发送，自动发送周期设置为10 ms，数据可以通过基于51单片机的VLC单工通信系统快速传输，并准确显示在COM4口的接收区。实验观察结果如图5所示。

自动发送实验中如果用遮挡物(如书本)阻断无线光通信信道，则虽然发射板仍在快速发送光信号，但COM4口的接收区无任何数据显示。当移出遮挡物时，COM4口的接收区继续显示数据，这说明观察显示到的数据是从光信道传输后收到的。

图5 自动发送实验结果(截图)

3)发送文件实验。波特率均设置为600，在COM3口的发送区选择发送文件“C:COMDATA1.txt”，发送文件后，COM4口接收区准确显示出“1.txt”的内容:My VLC。实验观察结果如图6所示。

图6 发送文件实验结果(截图)

3 结论

本文针对LED可见光进行了基于51单片机的VLC系统设计，采用超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机进行控制，利用串口调试助手来实现信号源的发送与接收，系统具有较小的体积和较低的成本。实验结果表明，该系统能够实现简单的单工数据通信。

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［2］胡国永，陈长缨，陈振强.白光LED照明光源用作室内无线通信研究［J］.无线光通信，2006(7):673－679.

［3］丁德强，柯熙政.可见光通信及其关键技术研究［J］.半导体光电，2006(2):15－18.

［4］KOMINE T，LEE J H，HARUYAMAV S，et al.Adaptive equalization for indoor visible light wireless communication systems［C］//Proc.APCC 2005.［S.l.］:IEEE Press，2005:294－298.

［5］KOMINE T，HARUYAMA S，NAKAGAWA M.A study of shadowing on indoor visible－light wireless communicanon utilizing plural white LED lightings［C］//Proc.Wireless Communication Systems，2004.［S.l.］:IEEE Press，2004:211－225.

［6］FANG F B，WANG Y H，SONG D H，et al.Spectro－scopic analysis of white LED attenuation［J］.Chinese Journal of Luminescence，2008，29(2):353－357.

［7］孙新凤，张健，王新娜，等.LED点阵书写显示屏的系统设计［J］.电视技术，2010，34(S1):121－123.

［8］李静，王永亮，段海龙，等.LED可见光的虚拟仪器通信系统［J］.电子测量与仪器学报，2011，25(10):901－904.

［9］KAHN J M，KRUASE W J，CARRUTHERS J B.Experiment characterization of nondireeted indoor infrared channels［J］.IEEE Trans.Communication，1995，43(2):1613－1623.

［10］TANAKA Y，KOMINE T，HARUYAMA S，et al.Indoor visible light data transmission system utilizing white LED lights［C］//Proc.IEICE Trans.Communications，2003.［S.l.］:IEEE Press，2003:2440－2454.