白光LED无线光通信传输系统的设计与实现

李程

摘 要：在信息化高度发展的今天，无论军用，商用或是民用，均需要高速传输且不对外界造成任何干扰。与传统的射频通信以及其它无线光通信系统相比较，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰和无电磁辐射、节约能源等诸多优点。而白光LED采用电场发光和低电压供电，具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、可靠耐用等特点，同时又具备响应时间短、高速调制的特性。鉴于上述情况，设计开发了一种白光LED无线光通信传输系统，本系统主要功能是在维持照明的同时，应用高频闪烁的方法实现设备间的信息和数据传输，而不对其他射频通信设备造成干扰，实用性强。

关键词：可见光通信；串口通信；单片机

中图分类号：TN929 文献标志码：A 文章编号：2095-2163（2014）05-

The Study of Modulation Technology on White-light LED Wireless Communication

LI Cheng1， CHENG Xiaoxu2， JIANG Qingfeng2， YU Haitao2

（1 Department of Electronic Information Science and Technology， School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin 150010，China；2 College of Computer Information Science and Technology， Daqing Normal University， Daqing Heilongjiang 163712，China）

Abstract： In present society， information technology is highly developed. A transmission mode，which has high speed and no interference to other transmission mode， is required in military， commercial and civil use. Comparing with the traditional Radio Frequency Communication and other wireless light communication systems， the Visible Light Communication is superior in high transmitting power， no occupying in radio frequency spectrum， no electromagnetic interference （EMI）， no electromagnetic radiation and energy saving.Moreover， white LED use electroluminescence and low voltage， featured in long service life， high light efficiency， high stability， good safety， free radiation and low power consumption. It is anti-seismic， reliable and durable. Simultaneously， it also takes less time to answer and is easier to be modulated. Therefore. the system is designed and created. It can not only be used as light， but also transmit information and data with the help of LEDs high-frequency flicker. Different from other systems， it wont disturb other RF equipments. So， this system is useful.

Key words：Visible Light Communication； Serial Communications； Single Chip Microcomputer

0 引 言

随着LED 的迅速发展，白光LED采用电场发光和低电压供电，因而具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、兼及无辐射、低功耗、而且抗震、可靠和耐用等技术特性，此外白光LED还表现了响应时间短、调制高速的指标特性[1]。在此背景下，借助同时实现照明和通信双重功能，催生了一门新兴的无线通信技术----可见光通信技术，并已经成为多个国家的研究热点，尤其引发关注的是日本“可视光通信联盟”的开创以及美国斥资1.85 亿美元、且为期10年的“智能照明”项目的设立和推进。迄今为止，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但距离实用阶段却还有一定的距离，系统的各项性能也有待进一步地提高与增强[2]。

我国在该技术领域也已取得了较大进展，突出成果即如中科院半导体研究所依托中科院知识创新工程重要方向项目“半导体照明信息网（S2-link）的研究”自主设计研发的，并已于2009年1月首次实现的采用LED灯作为接入点的互联网接入，而且该技术成果则于2009年11月在上海工博会获得了成功展示；随后，2013年2月，半导体研究所成功研制出半导体照明通信系统第三代样机，其网络带宽可达到2Mbit/s，相应地同年5月，半导体照明通信系统即在上海世博会的“航空馆”和“沪上·生态家”进行了整体展示[3]。鉴于以上研究成果，本文将综合运用串口通信和单片机的功能，以此而实现了完整的无线光通信传输系统。

1 总体设计

1.1 系统功能模块

白光LED无线光通信传输系统分为编码调制器，电光转换器（即白光LED），光电二极管和解调解码器四部分，如图1所示。

图1 白光LED无线光通信传输系统功能模块

Fig. 1 Function modules of white-light LED wireless communication system

1.2 信息数据传输流程

通信方式采用点对点式、全双工模式[4]。本系统可应用于不同设备中，在此，则利用计算机作为本系统信号的输入输出设备，具体的信息数据传输流程如图2所示。

图2 信息数据传输流程

Fig. 2 Process of information data transmission

由图2可知，由计算机A到计算机B的信息数据传输过程可表述为：计算机A发出指令，将数据传输给单片机，单片机进行编码调制，以此控制LED闪烁频率；LED即将电信号转化为光信号输出，也就是高频闪烁；而光电二极管接收数据后，则将光信号转化为电信号，并传输给单片机，单片机解码解调后，再将信息数据传输给计算机B。与其相应地，从计算机B到计算机A的过程亦完全同上，由此从而实现计算机A和计算机B之间的信息数据交互。

2 详细设计

2.1 通信过程设计

编码调制器位于单片机上，可将高低电平最终转化为LED不同频率的闪烁[5]。操作过程为：用AT89S52型号单片机控制LED的闪烁频率，将外界设备（如，计算机）输入信号二进制数据中的“0”调制成LED高频4.8KHz闪烁，将“1”调制成LED低频2.4KHz闪烁。

在系统设计中，规定输入的信号应采用标准串行通信协议、并只能以固定的2 400bps波特率进行通信，而且每一帧信号中均标识有1个起始位，8个数据位，1个校验位和1个停止位。

在光信号传输中，发射端电光转换器主要采用白光LED[6]。因为白光LED亮度更强，可以首先实现室内照明。自始至终，白光LED以固定的占空比（1/2）闪烁，从而实现恒定亮度的照明。

接收端则主要采用光电二极管。接收端是通过光电二极管进行光电转换，也同样利用AT89S52型号单片机进行识别，并最终输出原信号。

2.2 外部电路设计

在光信号传输方面，将光电二极管和白光LED混合放置在同一块电路板上，从而同时实现发射和接收的功能。为了避免白光LED自身发光对光电二极管接收造成影响，采用挡板将其光线阻断，如图3所示。图3中央即为光电二极管。

图3 光电二极管和白光LED在电路中的排列

Fig. 3 Arrangement of photoelectric diode and white-light LED in the circuit

使用光电二极管接收闪烁的光信号，在设备的工作过程中不能出现任何可见光干扰。因此，选用灵敏度较低的光感应电路，并使设备发光远强于环境光，从而去除环境光造成的干扰。在系统整体设备电路图中，单片机工作原理电路因篇幅所限而在此省去。

针对编码调制和解调解码方面，设计的电路图则如图4所示。图中，单片机使用了11.059 2MHz晶振。

图4通信系统电路

Fig. 4 Circuit of communication system

RS232电平信号经过MAX232电平转换成TTL电平信号，由RXD口进入单片机A，单片机A调制后由P1.0口控制LED闪烁发送信息；而从对方设备传来的光信号通过光电二极管转换成电压信号并由单片机B INT0口接收，解调后又将原信号由TXD口送出，再经过MAX232转换成RS232电平信号，从而实现信号在系统中的传输和调制解调。

利用调制模块，采用多种数据传输方式，多个LED并联接入单片机的不同输出端，接收不同的数据且调制到不同频率下；相应地，接收端则利用同等数量的光电二极管进行接收，如此即可实现数据速率成倍提升。

2.3 程序设计

单片机调制汇编源代码，控制单片机实现了将外界设备（即计算机）输入信号二进制数据中的“0”调制成LED高频4.8KHz闪烁，而将“1”调制成LED低频2.4KHz闪烁。

其后，单片机则解调汇编源代码，由此控制单片机实现了将光电二极管接收到的光信号转换为电平信号。

在使用本系统的设备上（即计算机），通过验证每一帧数据的奇偶校验位来进行检错。串行数据从输入到输出，将存在最长两个信号位（即5.4ms）的延迟，但这一现象却并不会影响串行字节数据的连续发送。

3 实验结果

在构建了单方向白光LED无线光通信传输系统后，通过设计两台计算机间的字符数据传输，以此来实现整个系统的通信。

信号发射设备预定为计算机A，其中采用STC-ISP软件中的串口助手，如图5所示。在发射端，传输内容为字母、数字的组合。实验过程中，需保持白光LED与光电二极管之间距离约为1m。

图5 电脑A发送的数据

Fig. 5 The data sent by computer A

计算机B接收到的数据，如图6所示。

图6 电脑B接收的数据

Fig. 6 The data received by computer B

实验证明单方向白光LED无线光通信传输系统完全可行，传输过程中没有出现数据错误。为此，只需将调制解调模块有机结合，即可实现全双工串行通信。

4 结束语

本系统易普及和实现。只要融合串口通信的原理，及对单片机的简单编程，就可以实现系统的完整搭建。并且，在白光LED无线光通信传输系统实现照明的同时，也可进行高速数据传输，即任何照明系统均将支持高效数据传输。此外，利用LED无线光通信，并不会对其他设备，如手机的信号造成干扰。只是由于单片机性能原因，目前的系统传输速度并未获得大幅提升。为此，应用电路及其他芯片来改进系统，即已成为无线光通信技术的未来发展方向。

参考文献：

[1]任凤娟，孙彦楷.白光LED 可见光通信及其关键技术研究[J].电子质量，2010（5）：20-21.

[2]骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED 室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011（2）：56-58.

[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）：114-116.

[4]吴承治.可见光通信技术及应用初探[J].现代传输，2012（6）：8-18.

[5]张立，朱娜.基于LED照明灯的室内无线光通信双工系统研究[D].镇江：江苏大学，2010.

[6]樊慧萍，叶培大.基于LED的短距离光无线通信系统的设计和编解码的实现[D].北京：北京邮电大学，2011.