基于STM32的可见光照明服务系统的实现

1、 题目：基于STM32的可见光照明服务系统的实现 学 院 专 业 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 摘 要发光二极管（LED）作为新型的光源，具有寿命长、光效高、安全性好、绿色环保、可靠耐用等特点。进入20世纪，它成为照明业中的佼佼者。又因为其响应速度快，能够进行高速调制，所以成为后来光通信系统的首选光源。科学家们利用LED光源的这些特性发明了可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）。VLC用频段为380-780nm之间的可见光实现光无线通信，即通过高低电平信号控制LED发出高速频闪信号来传输数据。本文设计了一种基于STM32的可见光照明服务系统，

2、即可见光通信系统。该系统利用LED作为通信光源，通过串口将上位机的信源信息传送到STM32，对其信源调制。调制后的电信号经过驱动电路驱动LED发光。由于视觉停留，当发光光源的频率大于100Hz时，人眼便无法辨别光源是否有闪烁。这样，LED发出的光携带着数据在无形中已经在自由空间传输。在接收端，光信号被光电探测器检测到，并转换成电信号。然后，对其进行滤波放大，判决解调等过程还原出信息，再通过串口传到下位机上，完成通信。本文采用的调制方式是多脉冲宽度调制（Multi-Pulse Width Modulation，MPWM），然后对VLC系统发射端和接收端做了相关的理论分析，完成各电路模块设计，在实

3、验室平台搭建出整个VLC系统，最终实现了基于STM32F4的字符串、文档，以及视频等多种类型数据的传输。关键词：LED；STM32；MPWM调制；可见光通信；视频传输AbstractLight emitting diode (LED) , as a new light source, with long life, high luminous efficiency, safety, environmental protection, durable and reliable, etc.Into the 20th century, it became a leader in the lighti

4、ng industry. And because of fast response, it can be high-speed modulated, so it became the best light source for optical communication systems. Scientists invented the visible light communication technology (VLC) according to these features of LED light source. VLC uses optical spectrum bands for w

5、ireless communication between 380-780nm, i.e., LED, which was controlled by high or low level signal, emitted speed strode signal to transmit data for communication. This paper is designed to service visible light illumination system based on STM32, that is visible light communication system. The sy

6、stem uses LED as a light source of communication, it will transmit the PC source information to STM32 via the serial port, and modulate the PC source information. Modulated electrical signal through the driving circuit drives the LED light. Because of the visual stay, when the light source frequency

7、 is greater than 100Hz, the human eye can not distinguish whether the light flashing. Thus, the light from the LED,carrying with data, emitted in free space. At the receiving end, the optical signal is detected by a photodetector and converted into electrical signal. Then amplify , demodulate, judge

8、 the signal, restore the information, finally, spread through the serial port on the next crew to complete the communication.Modulation scheme proposed in this paper is the multi-pulse width modulation (MPWM), then do the relevant theoretical analysis about VLC system transmitter and receiver,respec

9、tively. Complete each module circuit design, and build a platform in the laboratory of VLC entire system, and ultimately realized the transmission of variety of data types, such as strings, documents, and video.Keyword：LED; STM32; Pulse Width Modulation; Visible Light Communication；Video transmissio

10、nII目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1引言11.1.1研究背景11.1.2研究意义21.2文献综述31.2.1国外研究状况31.2.2国内研究状况41.3论文研究内容和结构安排5第二章 可见光照明实现通信的理论分析72.1 LED光源特性72.1.1 LED伏安特性72.1.2 LED调制特性82.2 LED通信信道分析102.3本章小结11第三章 可见光通信系统信道方案设计123.1通信系统整体设计123.2发射端设计133.2.1串口通信调制模块133.2.2功率放大模块173.3接收端设计183.3.1光电转换器件183.3.2滤波放大电路模块193.3

11、.3电压判决模块203.3.4信号解调模块213.4本章小结23第四章 可见光通信系统硬件具体实现254.1通信系统的搭建254.1.1 STM32芯片介绍254.1.2发射端硬件实现254.1.3接收端硬件实现264.2整体系统的调试274.3本章小结30第五章 结论与展望315.1结论315.2展望32参考文献33致 谢35IV第一章 绪论第一章 绪论1.1引言随着LED照明技术的广泛使用及人们对于通信的迫切需求，无线光通信技术逐渐在通信界占据了一定的地位。无线光通信技术是一种以被高速调制的光作为通信载体，自由空气作为通信介质来传输光携带数据的通信技术，它简化了有线通信的介质，若波段为可见

12、光，则又可以服务于照明系统。它是无线通信和光通信的完美结合。之前，学者们多采用激光、红外光进行通信，使得频谱段得到了一定的开采，但还不足以供应社会需求，如果我们可以利用巨大的可见光波段，不仅资源丰富，更是实现了照明通信双重功能。这也是可见光通信的核心机制。通俗点说，在室内进行照明工作的同时，又可以利用头顶的灯管接收或发送信息，其通信频段为380-780nm，即VLC，俗称Lifi，整体系统图见图1-1。它与Wifi的共同点在于都是摸不到的无线信号，优势在于通信的同时能照明且信号安全性较高。图1-1 VLC系统示意图1.1.1研究背景目前对于可见光通信的研究在不断开展，主要是串口通信，信息调制，

13、视频传输等方面。可见光的频谱带宽很大程度扩展了协议带宽通信频谱，从数字上看，它近乎电磁波带宽的1万倍，足以显著提高资源利用率；符合我国提倡的节能减排要求，极大地推动国内市场发展。更为关键的是，它可以在照明中通信，在通信中照明，将照明和通信设施融合在一起。可是，目前可见光通信技术受到很多技术上的制约，在发射系统，一直采用的51单片机系列内部配置不够强劲，编码较复杂1。而STM32可以说是芯片新秀，功耗低，速度快，配置丰富灵活，性价比高，集成度高。可以在一定程度上优化VLC传输性能，使得可见光照明的服务性提高，更好的实现通照一体化。目前对于VLC通信系统的实际传输多采用OOK调制，开关键控方式，一

14、次传输一位，如果能实现多位传输，可以调高通信的速率。1.1.2研究意义经过调研，LED可见光照明服务系统的研究具有重要意义，很多科研工作者热衷于可见光照明通信一体化的研究。相比日本、美国及欧盟等国家，我国对白光LED无线通信技术的研究起步较晚，中国政府、科研机构以及企业为这些技术的宏观导引、机理研究、技术突破以及产业发展做了很多的工作。目前国家不断推出关于可见光通信的863计划、973计划、国家重大专项课题。本文主要研究基于STM32的可见光通信传输字符串（包括汉字）、文档，以及视频各种数据类型，并采用MPWM调制信息，提高传输速率。其基层意义在于：1.实现了可见光通信的视频传输，可以通过灯光

15、下载视频。2.使用多脉冲宽度调制传输数据，提高了通信速率。目前，移动4G市场份额不断扩大，WLAN、WiFi技术蓬勃发展。尽管速度很快，但还是有人抱怨网点少，对于私人通信的保密性不好，本论文所做的VLC则针对性的解决了这些问题。另外，对于像医院和机场等特殊场合，需要避免电磁波干扰的地方，采用白光可见光通信也是个很不错的选择，绿色无害2。所以，VLC技术的发展拥有很大的潜力应用。比如对路上行车提示路况，如图1-1；在医院采用光通信无公害地对病人进行监控；行人走在路上就可以通过路灯上网。当然有人会问白天路灯或医院床头灯是灭的怎么通信，答案是可以通信，因为VLC本身就是加载信号到光信号中，我们可以利

16、用视觉停留看不见灯灭，同样也可以反其道在看不见灯亮中通信。车载终端接收器数据图1-2 LED信号灯与汽车通信1.2文献综述20世纪末，香港大学Grantham Pang提出了可见光通信的概念3，概念一经提出，便风靡全球。目前，很多国家都开始着手LED可见光通信技术的研究。先来看国外的进展状况。1.2.1国外研究状况以日本和美国对可见光通信的研究较为领先。2003年，日本成立“可视光通信联盟”，专门研究可见光通信方面。2008年，美国更是投资1.85亿美元支持“智能照明”计划，潜心研究可见光照明服务系统的实现。以Tanaka、Komine和Sugiyama为代表的日本庆应义塾大学（KEIO）的研

17、究者们率先展开了对可见光通信系统理论的分析，并提出室内可见光通信的研究方向4。接着，很多科研单位和国家组织单位接踵而至，不断地投入更多的精力于可见光照明通信一体化的研究中。2000年，Tanaka团队采用强度调制-直接检测技术（IM-DD）调制光信号，对信道建模分析，找到接收功率、传输速率和误码率（BER）之间的关系。并得出结论：ISI对VLC系统性能的影响是需要重点解决的。2001年，他们又提出开关键控-归零编码（OOK）和正交频分复用（OFDM）编码方式，通过数学建模分析和计算机模拟仿真验证了两种编码方式的可行性，但是，在硬件上还未能实现整条链路的搭建。2002年，Komine等分析了多径

18、效应如何造成码间干扰（ISI），并进一步影响VLC系统传输，环境是在室内，多径效应产生途径是利用墙壁反射，然后提出解决码间干扰是实现真正通信的关键问题之一。2003年，Komine等采用软件模拟的方法改变LED布局和光源功率，调试可见光通信信道，仿真得出不同调制下误码率的大小。2006年，Sugiyama在脉冲位置调制（PPM）的基础上，提出了 SCI-PPM调制方式，使得误码率有所降低。2007年，Sugiyama采用PWM调制技术，探讨了不同亮度的光源如何影响可见光通信系统的性能，并通过理论计算找到合适的亮度点。2009年，Komine和Toshihiko等提出新的光源布局，即使用多个白光

19、LED灯组成阵列的可见光通信自适应均衡系统。就在日本研究可见光通信系统如日中天之时，美国和欧盟国家也快步紧追，不惜投资巨额，全力开展对其研究。2006年， Afgani研究得出VLC系统通信距离在1m以内时，釆用OFDM技术对单光源LED进行光强调制，可以消弱峰平比。2007年，Haas等研究了在可见光通信系统中釆用正交相移键控调制COFDM技术，结果表明:当通信距离保持在90cm以内时，可见光通信系统的误码率可以降低至。2007年，英国科学家0Brien等通过不断地摸索，在均衡技术中加入了多谐振技术，使得LED的有效带宽达到25MHz，进一步提升了可见光通信的通信速率至75Mb/s，对于VL

20、C系统，可以说是一个阶段性的提高。接下来，学者们多从调制技术着手，希望可以通过改善调制技术完善VLC系统。同年，便有实验室公布了新型调制技术调制技术-多址技术（CTDMA-PPM），其原理就是将多址技术加载于调制信息上，使得有效的通信资源可以在客户端间按“地址”进行分配，有点类似于广播式通信，每个客户端安装一个对应“地址”的接收端，实现了在系统不复杂的基础上提高通信性能5。2008年，英国学者对LED光源做蓝光滤光处理，结合预均衡技术对光源试图提高光源的调制带宽。事实证明，蓝光过滤之后，以及预均衡技术的使用大大改善了VLC通信速率，比之前的10Mb/s提高了约10倍。在2009年，英国科学家O

21、Brien等进行了一些可见光通信实验，采用了后均衡技术将通信传输速率提高到了100Mb/s6。2010年，英国学者通过采用多输入多输出技术（MIMO）大大提高了传输速率，实现了220Mb/s。传输速率的研究热度不断攀升，成果也是令人可喜，主要的研究方向集中在调制方式的不断改进优化。同年，德国科学家实现了基于正交幅度调制技术（QAM）与离散多音调制技术（DMT）的双调制技术的VLC系统，使得传输速率跃升至513Mb/s。同年，德国科学家采用DMT与波分复用（WDM）双重调制技术，LED光源采用红绿蓝三色LED合成方法制成的白光，使得VLC系统传输速率进一步提高到803Mb/s。之前，学者便提出红

22、绿蓝三色光合成的白光要比蓝光激发黄色荧光粉生成的白光调制带宽高，这个实验再次印证了这一点。2012年，意大利进一步优化德国科学家的QAM和DMT的双调制技术，光电探测器釆用APD，实现了1Gb/s的传输速率。1.2.2国内研究状况我国是发展中国家，相比美国，日本，德国等发达国家，对可见光通信方面的研究是比较晚的，主要是在21世纪初才开始投入，所以成果和他们相比逊色些。目前政府也在积极推进VLC研究的进程。2006年，周洋分析了VLC系统的现状和未来发展前景，以及研究的方向7；同年，丁德强团队对LED无线通信技术的核心技术进行了探讨总结和展望8。2006年到2008年，陈长缨等人在实验室成功搭建

23、VLC系统，采用串口传输的方式，实现了各种数据类型的传输，包括视频数据，其视频信号带宽为4Mb/s9-11。在LED光源布局方面，何赛灵对其进行了计算机仿真研究，通过微积分建模分析，得出最好的可见光通信LED光源的阵列布局；赵俊进一步优化仿真，得出最优的阵列光源间距12。在信道模型方面，暨南大学的陈振强等对可见光通信利用计算机仿真了通信链路，对其传输原理及方式进行了剖析13；张立深入研究了信道脉冲响应的时间14。在接收方式方面，2009年，曹家年等通过采用角度分集接收方法降低了VLC系统的ISI影响，提高了通信系统的信噪比（SNR）15。在调制方式方面，仲启端等分析各种调制方式，包括OOK、P

24、PM、MPPM、PWM等，并初步总结了它们的适用场合及其利弊；2011年，梅卫平提出了一种运用到白光LED上行链路的SC-FDMA调制方式。在传输速率方面，近年来，以复旦大学的迟楠教授为首的科学家将其作为研究重点。2013年初，迟楠课题组实现了速率达1.5Gb/s的VLC系统传输速率；同年下旬，在实验室进一步实现了一盏LED灯同时提供四台电脑通信，重点是传输速率再上一层楼，达到3.7 Gb/s,而且误码率较低，可以忽略，这是中国在可见光通信研究的一个里程碑16。2014年，王先在硕士论文中完成基于单脉冲宽度调制（PWM）的信号调制解调，并在硬件上采用STM32F1芯片实现完整系统字符串的传输1

25、7。2015年，王一妹基于王先研究的基础上，研究了LED调制的方法，确定利用脉冲位置进行调制，并制作了一种实施系统，实现了基于STM32的距离0.5m，速度9600波特率的单向数据通信，但是仍局限于码间干扰未考虑18。同年，关伟鹏等提出了一种基于人工神经元网络（ANN）的接收系统，采用角度分集接收技术采集信号，并通过神经元网络对所获得的多组数据进行合并优化构成总的输出信号在一定程度上消除了码间干扰，不过还只是局限于理论方面，并没有在硬件上完整实现。1.3论文研究内容和结构安排本论文主要是采用STM32进行串口编码通信。STM32本身具有串口通信的功能，但是局限于OOK调制，本文通过初始化串口，

26、通过编码对其采用MPWM的调制方式，可以一次性传输多位。然后搭建整个VLC系统，该系统利用蓝光加黄色磷光粉合成的白光作为发射端光源，通过对STM32进行编码烧录，将上位机电脑或摄像头采集的信息加载到LED光源上，当然STM32的输出电流很小，需要对其进行电流放大，恒流驱动LED发出经高速调制的光信号。在接收端，光信号被光电探测器接收转换成电信号，再经过放大，判决解码获得信息，传给PC机串口助手显示。本论文着重研究STM32的串口通信部分，尝试改变传输的方式，探索提高速率的方法，以及传输数据类型。论文的内容安排如下:第一章：绪论。本章包括引言和文献综述两部分，说明背景意义，概括VLC技术的国内外

27、研究现状及本论文核心工作和各章节梗概。第二章：可见光照明实现通信的理论分析。本章主要研究VLC系统发射端LED光源的特性包括LED调制度、LED的调制特性、LED响应时间，以及系统阐述LED照明通信的机制，对LED的VLC系统信道的深入分析。第三章：可见光通信系统信道方案设计。本章对比分析了OOK调制和PWM调制，然后决定采用MPWM调制基于STM32F4串口通信，并说明其调制的具体原理和脉宽设定；阐明了信道的分类；设计了发送端和接收端的电路图，最终完成整个VLC系统的设计。第四章：可见光通信系统硬件具体实现。本章主要对发射端和接收端在实验室进行具体的操作实现，调试放大、判决的模拟电路，验证设

28、计的合理性与有效性，并进行相关功能测试。第五章：结论与展望。本章总结了本论文所做的工作，并指出可改进的地方，深入认识可见光通信技术的优势与技术难点，预测可见光通信的发展走向。37第二章 可见光照明实现通信的理论分析2.1 LED光源特性 LED光源与普通光源不同，通过对LED光源特性的了解，可以使我们更好地理解可见光通信技术的原理所在。LED是由类似GaP、GaAsP等半导体制成的，其关键部分是一个PN结，它具有PN结的I-U特性，即正向导通、反向截止、过流击穿等，另外，发光特性也是最关键的一个特性，它需要满足一定条件才可以表现出来，本文会用到这一特性。2.1.1 LED伏安特性LED芯片是P

29、N结二极管中的一种，虽然有些特殊，但和普通的二极管有相似的伏安特性曲线19。伏安特性曲线是用来表征LED芯片PN结制备性能的，用来反映PN结性能的优劣。LED正向伏安特性可以表示为 (2-1)式中：为反向饱和电流，为电子电荷量，为玻耳兹曼常数。I / mALED也是一种特殊的整流二极管，具有单向导通性和非线性的性质20。图2-1为LED的伏安特性曲线。如图中OB段，在LED两端加正向电压，就会产生正向电流，可近似为直线。电压在OB段范围内时，外部电场小于内部电场，不足以克服内部电场对载流子扩散造成的阻力，通过LED的电流就会很小，相比之下，电阻就会显得较大。继续增加正向电压，当超过图中B点以后

30、，斜率变大，此时内部电场被很大程度的抵消，电流就会快速上升。工作区AU / V击穿区B0 正向死区截止区图2-1 LED伏安特性由LED的伏安特性曲线可知，若要保持LED光源稳定，需要使用精密恒流源供电。这也是本文后面为什么要选择DD311恒流驱动器来驱动LED发光的原因之一。2.1.2 LED调制特性蓝光芯片上涂覆黄色荧光粉是现今业界中获得白光最常用的方法。LED的调制特性可以从三个角度来讲，分别是调制度、调制带宽、响应时间19。1.调制度LED在工作区，可近似看成直线，认为电流电压成正比。其调制能力根据光功率-电流曲线做出判断，如图2-2所示。PI图2-2 LED光功率-电流曲线具体调制度

31、的大小可以表达为： (2-2)其中，是偏置电流，是峰值电流和偏置电流的之差。光调制度的意义在于它描述了交流信号与直流偏置之间的关系。一般情况下，光源调制度越高，所携带光信号就越容易被光电探测器检测到，从而可以降低对接收端临界光功率的要求。而驱动LED发光的电路设计要求使其LED输入信号电流和其偏置电流在同一个数量级，所以需要对前端（后文上位机STM32输出端）输出信号进行放大。因为调制度和调制带宽是此消彼长，所以，不能盲目追求高的调制度，也不能只考虑调制带宽。二者对系统的性能影响都不可忽视，目前一般实验的驱动能力达到10%左右的调制度。2.调制带宽调制带宽决定了VLC系统的传输速率和通信容量。

32、这里我们选择常用的3dB带宽。LED调制带宽示意图见图2-3。光检测器输出电流电3-dB点光3-dB点10.7070.5频率电带宽Iout光带宽图2-3 LED调制带宽示意图探究LED带宽的影响因素，可以追溯到半导体内少子寿命这一因素。因为少子寿命影响了响应速率，响应速率影响调制带宽。影响程度可以通过下面的表达式看出： （2-3）其中表示半导体内少子的寿命。对于-族材料制成的LED来说，为100ps，所以说LED的带宽理论值往往限制在2GHz内。当然，理论值过于理想化，实际测试时是远远达不到这个值的。对于照明用的大功率LED带宽就更低了，因为其微观结构和光谱特性限制的缘故。因此，提高LED二极

33、管的调制带宽也是目前LED通信系统的一个关键性问题。然而LED调制带宽主要受到材料本身的结构影响，所以与材料的选取和生产工艺息息相关，如果能在调制带宽方面得到突破，可见光通信将向前迈出一大步。虽然已经有很多研究人员开始研究设计更复杂的LED的微观结构，试图缩短LED的响应时间，进而提高调制带宽。同时，目前的实验也可以尝试通过改进发射端和接收端，以及LED阵列来弥补带宽的不足，提高整个系统的频响特性，改善VLC系统性能。3.响应时间响应时间指的是LED被点亮和熄灭所需要响应的时间。响应上升时间如图2-4中AB段；响应下降时间如图2-4中CD段。AB C D tt相对亮度I导通电流10%0100%

34、90%0图2-4 LED响应时间相对来说，由于LED的响应时间很短约s，我们可以利用LED这个高速调制的特性把信号加载到光波上发送出去，这是可见光通信的核心理论。2.2 LED通信信道分析VLC按照光源场合不同，通常分为点对点通信、广播式通信，光通信网络。顾名思义，点对点通信是指一处光源仅仅针对一个接收端，传输共享信号，即一对一；广播式通信则是指一处光源可以传输共享信号给多个接收端，即一对多，再加上LED发光角度大，接近180，所以可以更大范围内覆盖通信；而光通信网络，利用一处光源使得整个网络内具有收发信号功能的电脑进行通信。本文研究是基于点对点通信。至于通信链路，LED照明通信系统的链接方式

35、也不唯一，主要分类见图2-5。定向式 非定向式 混合式非视距链路视距链路 图2-5 光通信链路分类原理本文采用的是定向式视距链路。这里说明一下直射式与漫射式连接。直射式视距连接要求发射端和接收端高度对准，这样做的好处是信号保密性好，功率利用率较高，但是由于它的高对准性，也限制了信号的传输路径，一旦路径中有障碍物信号便会被阻断；而漫射连接，对于对准的要求有所降低，相应扩大了接收视角，光功率可以较均匀的分布开来，通信的时间延长21。遗憾的是，传输的路径广泛的同时造成了多径效应，多径效应一方面会增加误码几率，另一方面也降低了传输速率。综合考虑之后，本文选择直射式视距连接。那么，可见光通信系统究竟是如

36、何响应如何工作的呢？这里将系统看成一个基带线性传输模型，如图2-6所示。光电流发射光功率噪声图2-6 VLC的线性基带传输系统其中脉冲响应时间反映了系统的信道特性。发射端通过白光LED发射出光信号，经过强度调制后为。在硬件电路中，噪声用表示。然后经接收端的PIN光电探测器接收转换信号，转换后的光电流信号为，完成数据传输22, 23。 (2-4)其中，为光电二极管的光电转换效率；为发射光功率；为信道冲击响应；表示加性高斯白噪声。2.3本章小结 本章主要从LED伏安特性，LED调制特性（调制度、调制带宽、响应时间），及LED通信信道三条逻辑主线来对可见光通信系统进行理论分析。首先分析了LED的结构

37、，本文选取了最常见的单芯片白光LED，由YAG粉和发射蓝光的LED芯片，YAG粉受激发出黄色光，黄光和蓝光混合产生白光LED。然后是对LED通信链路和信道的分析，选取了点对点定向视距方式，和基于强度调制-直接检测技术的线性基带传输系统完成通信信道。本章着重于理论知识梳理，为后续的实验平台搭建奠定了一定基础。第三章 可见光通信系统信道方案设计3.1通信系统整体设计欲完成可见光通信的实验平台，我们先来完成软操作各模块的电路设计，包括调制解调代码的编写。具体模块设计如图3-1所示。LED发送端：PC机/摄像头信号功率放大电路STM32串口通信调制自由空间传输信号放大电路光电检测器电压比较电路STM3

38、2串口通信解调PC机接收端图3-1 照明通信系统整体设计架构可见光通信技术的核心在于给作为照明光源的LED灯加载数据，那么数据的加载方式采用的是将电信号转换成二进制0101的形式，再进一步调制控制LED灯的亮或灭来加载到光信号中，进行数据的传输。根据图3-1，系统首先利用串口通信将发送端（PC机或摄像头）上的信息转化成二进制信息，通过对二进制基带信号进行编码调制得到调制信号。尝试多位脉冲宽度调制，将信息通过编码实现一个波特两位的传输，那么就有四种情况，我定义四种不同的脉宽区分，以方便后续的解调。由于调制信号非常微弱不足以驱动LED驱动板，所以将其经过DD311进行电流放大，使得LED驱动正常发

39、光，而且是肉眼察觉不出的高速调制光信号。在接收机端，光探测器对发射过来的光信号进行光电转换，然后对电信号采用放大性能较好的OPA657U芯片进行放大、简单电容滤波，再通过电压比较电路规范表示数据调制后的高低电平信息，最后通过编码解调，还原出原始信源。本文所要实现的功能是字符串、文档、视频的光通信传输。对于字符串的传输，实现在发送端发送字符串，比如“基于STM32的可见光照明服务系统的实现”，那么在接收端电脑就会接收并显示“基于STM32的可见光照明服务系统的实现”；对于文档的传输，实现类似字符串的文档内容正确的传输；对于视频传输，实现摄像头采集信息，经过光通信传输，实现在接收端电脑视频还原显示

40、。发送端：PC机/摄像头3.2发射端设计LED信号功率放大电路STM32串口通信调制图3-2 发射端模块设计在发射端，主要包括串口通信信息调制模块和信号功率放大模块24。接下来我们分别介绍这两个模块的设计思路和工作原理。3.2.1串口通信调制模块对于串口通信的调制方式有很多，通信编码一般采用开关键控调制（OOK），脉冲调制，二比特相位偏移调制（BPSK）和正交频分复用调制（OFDM）。开关键控调制是最常用的一种二进制振幅键控方式25。它的原理很简单，载波的幅度是它唯一变量，通过改变幅度即可表达信息。载波根据二进制基带信号通断变化，“1”表示通，“0”表示断26。原理如下： (3-1)其中： (

41、3-2)概率为P概率为1-P (3-3) 式中，表示码元持续时间，表示持续时间是的基带脉冲波形。脉冲调制是一种通过脉冲来传输信息的调制方式，分为PPM和PWM。这里重点介绍脉冲宽度调制。脉冲宽度调制是通过判断不同占空比来表示逻辑0或1。由于OOK的抗噪声能力不如PWM调制，而且PWM调制可升级为MPWM，假设一个码元周期固定，那么在一个码元周期中，OOK只能传输一位，而MPWM可传输多位。在传输速率上MPWM占优势。它的另外一个优点是整个处理信息的过程都是数字形式的，减少了数模转换的过程，这样可以使得噪声影响降到最低。因为噪声只有强到将信号中的逻辑1和0反转，才会使得信号失真，致使信号误码。这

42、也是为什么很多通信模式采用PWM调制的重要原因。故本文选择了该调制方式。在确定调制位数之前，我们先将信息转换成二进制信息。实现串口通信和一位传输的PWM调制代码的编写。在使用STM32串口时，必不可少的是先对所用串口、引脚、寄存器等初始化。一般步骤为：串口时钟、GPIO时钟使能。调用GPIO_PinAFConfig函数设置相应复用。GPIO初始化设置。串口参数初始化设置。需要中断时，开启中断并初始化NVIC，使能中断。使能串口。若有，则编写中断处理函数。初始化所用串口和引脚后，就是编辑主函数。实现STM32F4通过串口和上位机电脑的对话，上位机电脑发送数据到串口，同时接收从串口回馈的信息，接收

43、到的数据存在缓存寄存器USART_RX_BUF中，我们通过设计一个接收协议，定义一个状态寄存器来控制读取USART_RX_BUF中的数据。表3-1 USART_RX_STA接收协议USART_RX_STAbit7bit6bit0-bit5接收完成接收到0X0D接收到有效数据个数根据此协议判别数据的发送接收情况，使得发送端数据更透明可见。也给编码带来了方便。发送端编码流程图见图3-3。开始初始化串口和GPIO时钟接收数据接收到0X0D接收到0X0A?否是接收结束数据编码调制(MPWM)结束图3-3 发送端编码流程图实现了上位机电脑和串口的通信之后，就是对发送端发送的数据进行MPWM调制。通过测试

44、，设码元周期20us，设置逻辑0为占空比40%（12us低电平+8us高电平）；设置逻辑1为占空比60%（8us低电平+12us高电平）。为了降低误码率，本文还设置了一个同步码，通过占空比20%（16us低电平+4us高电平）表示；一个结束码，通过占空比80%（4us低电平+16us高电平）表示。但是由于PB9引脚在没有脉冲时默认低电平，这就意味着整个信号在发射的过程中，低电平和高电平之比接近1，甚至大于1，LED的状态灭的时间长于亮的时间，所以对其做了反转。并在每传输完一个信号之后将电平置高，这就实现了肉眼看不见闪烁且能保持较高亮度。由于硬件设施的限制，每传输一次数据需要一定的时间。为了提高

45、传输速率，本文在实现了一位传输成功之后，进一步设计了多脉冲宽度调制（MPWM）来传输数据。多脉冲宽度调制还有一个优点就是一次性判断多位，对于一个字符的判断次数减少，使得信号传输时正确率也相应提高了。具体设置如下表，表格中百分号表示1-占空比所求，即低电平占周期的百分比。表3-2 单脉冲宽度调制逻辑同步码01结束码表示（H+L单位：us）16+4(20%)12+8(40%)8+12(60%)4+16(80%)表3-3 多脉冲宽度调制-两位逻辑同步码00011011结束码表示（H+L,单位：us）17+3(15%)14+6(30%)11+9(45%)8+12(60%)5+15(75%)2+18(9

46、0%)表3-4 多脉冲宽度调制四位逻辑同步码00000001001000110100表示（H+L，单位：us）57+3(5%)54+6(10%)51+9(15%)48+12(20%)45+15(25%)42+18(30%)逻辑010101100111100010011010表示（H+L，单位：us）39+21(35%)36+24(40%)33+27(45%)30+30(50%)27+33(55%)24+36(60%)逻辑10111100110111101111结束码表示（H+L,单位：us）21+39(65%)18+42(70%)15+45(75%)12+48(80%)9+51(85%)6+5

47、4(90%)通过理论计算得出：表3-5 传输速率对比位数一二四速率（bit/s）50K100K66K不难发现，上述三种位传输中，两位传输速度最快。因为四位传输跨度大，反而使得平均速度较两位传输低。注意一点，这里调制是在串口通信得到二进制信息，二进制信息变换成脉冲宽度调制是在管脚引出输出时调制的，而不是在串口处就产生了PWM 波形。所以对于字符串、文档或是视频的传输，皆是在信息转换成二进制信号之后，对其采用MPWM调制加载到LED灯上的。3.2.2功率放大模块 设计完信号调制模块，接下来就是如何放大调制后信号，驱动LED发光。由于主控芯片STM32的输出电流太小，LED光功率的变化不能很明显地表

48、现出来，较难识别，而且不能满足正常的照明。所以需要对调制信号进行功率放大，使其得以正常驱动LED发光。本文选取了简单的实验用LED（功率为1W），并选择单通道输出的LED恒流驱动器DD311。由LED的伏安特性，当电压大于阈值电压时，电压很小的波动就会引起电流很大的波动，这时，如果采用电压驱动的话，那么输出电流是极不稳定的，所以LED一般采用恒流源来驱动，不过考虑到这里输入是矩形波而非正弦波，所以这只是后面选择DD311的次要原因。关键是其频率为1MHz，与调制信息频率符合，所以本文采用了DD311芯片来做恒流驱动电路。其工作原理参考图3-5,分析原理图可知，通过调节来设定输入电流的大小，进而

49、控制输出电流的值，具体计算公式。图3-4 DD311原理图 (3-4)但是由于输出电流还受到DD311装置本体温度和环境温度的影响，受综合因素影响较大，输出电流并不会严格符合上式计算结果，具体关系参考图3-5。图3-5 输出电流与调节电阻关系图（从左至右依次：536V）这里，我们取=300，=5V。此时经过DD311功率放大之后，根据图3-5可知LED的输出电流，理论上已经可以正常驱动LED发光，但实际检测时并没有这么高，所以我们根据实验所需，采用可调单电源提供偏置电压进行微调，以达到正常的驱动发光亮度。3.3接收端设计接收电路设计主要包括光电检测器、信号放大电路、电压比较电路，以及串口通信的

50、解调等模块，最终还原出发送的信息27。模拟电路的调试还是比较复杂的，涉及到电路的滤波，放大倍数的调整，芯片的选取，对于电压比较电路需要调节参考电压，所以在设计中要考虑滑动变阻器的植入。下面我们先概括整体接收电路，如图3-6。光电检测器电压比较电路STM32串口通信解调信号放大电路PC机接收端图3-6 接收端模块设计3.3.1光电转换器件在光接收系统中，不可或缺的首先是光电探测器，它作为接收发射端信号的第一级。它是一种把光信号转变成电信号的器件，光通信常用的光电转换器件有PIN光电二极管和雪崩二极管（APD），二者的核心原理是相似的，都是根据光辐射与物质相互作用的光生伏特效应制成的28。VLC对

51、光电探测器的要求主要有以下四点： 在可见光波长段由较高响应度，即对一定的输入光功率，可以有较大电流输出。 响应时间要短，因为可见光通信是高速调制的光信号。 本身噪声要尽可能低，由于信号高速调制，受噪声影响会比较明显。 具有良好的线性关系，尽量保证信号转换后不失真。PIN光电二极管具有响应速度快，频带宽，灵敏度较高，适用场合受限制较少、可靠性好等诸多优点，在光通信和快速自动控制方面有着较为广泛的应用。关键是硅基PIN光电探测器的波长响应范围大约为0.4-1.1um，所以很适合做可见光的信号检测。目前很多实验皆是采用PIN光电探测器。缺点是I层电阻使得输出信号较弱，所以需要前置放大模块对其输出进行

52、放大29。而APD比光电二极管灵敏度高，理论上会更适合用于高速调制信号和微弱信号检测，但是雪崩二极管电流大，噪声也大，价格也比较昂贵，不适合于研究推广。本文最终选择直径5mm的PIN光电二极管作为光电转换器件。在光电探测器中，往往是有噪声的。噪声影响着光接收系统的灵敏度。比如PIN光电二极管的噪声就包括散粒噪声,热噪声和闪烁噪声1/f。其中，散粒噪声是由于电子发射的不均匀性引起的，往往通过提高其平均电流强度或光强度改善；热噪声是由负载电阻和后继放大电路中的输入电阻造成的，可以考虑调节负载电阻和输入电阻的大小降低该噪声；闪烁噪声是一种脉冲噪声，在反转的瞬间所引起的震动。在VLC系统中，只有用于通

53、信的420-480nm波段光形成的光生载流子才是所需要的信号，其他波段的皆归类为噪声，然而通常采用的硅基PIN光电探测器响应峰值波长都在800-900nm。所以，如果不采用任何消除噪声的措施，通信信号将被淹没在噪声之中，难以正常通信。本系统中通过RC电路对其进行了一定的消噪。3.3.2滤波放大电路模块电压放大电路需要考虑放大倍数的设定以及放大芯片的选取。本文在经过放大之后需要进行电压判决，所以需要放大倍数略大一点，本来是选择两级放大，但是实验证明电路的复杂性会造成信号噪声增大，使得信号失真。然后，改良放大电路之后，采用一级放大倍数可调负反馈放大，两种电路具体实验对比效果见第四章。由于经过光电探测器的信号是相当微弱的，经过实验，选取优良的OPA657U做放大芯片。对于模拟电路噪声是避免不了的，为了降低信号失真度，我们做了简单的RC滤波电路。在设计电路时，会在电源端并联一个瓷片电容和电解电容，用来降低电源输入时引入的噪声。后面电路设计中电源端并联电容也是这个原理。综上所述，最终设计出一级放大倍数可调电路图如图3-7。图3-7 一级放大可调电路图对于PIN光电二极管输出电压幅度会受到光源强度和与光源的距离的影响，理论上输出是毫伏级，尤其对于实验用1W的白光LED光强是比较低的，要使放大后信号达到伏级别，放大倍数需要达到数十倍甚至