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ARM下室内可见光通信系统设计探析

2021-08-17 11:55 来源:系统设计论文 有人参与在线咨询

【摘要】本文介绍了一套完整的可见光通信系统,兼容字符、音频和视频数据的传输。其发送端和接收端均为独立PCB设计,在发送端,有三组信源接口,分别为字符、音频和视频接口,其中,字符传输接口为串行通信接口,信源PC通过该接口将数据加载到系统中;音频传输接口为3.5mm音频接口,信源可采用任何支持三段式音频接口输出的设备;视频接口可接至AV摄像头,使用AV摄像头作为视频传输的信源。这些数据经过软硬件的一系列处理后,送至大功率LED发射,使加载有信息的可见光信号在自由空间传播。在接收端分别使用两个低速PIN光电管和一个高速PIN光电管接收字符、音频和视频信号,分三路进行软硬件的处理后,字符信号可通过接收端的串行通信接口传输至信宿PC,亦可以直接在接收端板载OLED上显示;音频信号处理后直接传输至外置扬声器;视频信号通过视频分量线传输到USB视频采集卡上,通过采集卡将数据上传至信宿PC,并在信宿PC的上位机程序中显示。经过长期对本系统软硬件的调试,本系统的工况已经基本稳定,随后利用本系统进行了数十次字符、音频和视频数据的可见光通信实验,实验结果表明,系统可以实现预期的基本功能,通信效果良好。

【关键词】可见光通信大功率LEDPIN光电管

1引言

可见光通信的概念在21世纪初提出之后,迅速获得了世界各国的研究机构、学校和知名企业的关注和支持,在短短的几十年间得到了迅猛的发展,从最初的几十kb/s的传输速率到今天的Gb/s的传输速率,从最初的不使用均衡技术到今天的预均衡、后均衡技术,从最初的点对点到MIMO,从基带传输到低阶调制再到高阶调制,技术发展一日千里。可见光通信已被美国的《时代周刊》评委2011年全球50大科技发明之一。西方认为可见光通信技术的潜力无穷,前景十分美好,大力鼓励研究该技术。但目前,国内除上海复旦大学迟楠教授的研究小组外,还没有其它研究机构或学校明确表示致力于这方面的研究,可以说该项技术在国内尚有很大的研究空间。长期以来,世界各国的致力于可见光通信系统研究的主流学者和研究人员大多已经实现了基于可见光的字符、音频或视频格式数据的通信系统,但由于LED的带宽和光电探测器的带宽制约,导致更加复杂的数据格式未经高阶调制无法直接传输,高阶调制又大大的加大了系统的复杂性。本文所述的可见光通信系统的研究方向侧重于不加高阶调制系统、使用更高带宽的光电探测器。本文成稿时间较短,不足之处在所难免,诚恳希望广大读者多提宝贵意见,以利于我们今后的改进和提高。

2应用范围

可见光通信如果可以被推广普及,将会得到广泛的应用,其主要应用范围,有如下三点:a.应用于电磁敏感环境或电磁屏蔽环境内。可见光通信应用于电磁敏感环境中的优势在于,光信号一般不会对环境造成电磁干扰。另外,其亦可应用在一些电磁屏蔽环境内,例如电梯,矿井等电磁波不易到达的环境内,不需加装庞杂的通信系统,仅需一组LED照明灯引入环境内,即可实现电磁屏蔽环境内对外界的通信;b.应用于汽车领域。汽车领域如若可以引入可见光通信技术,将有望可能加快车联网的进程。例如加载了信息的车灯光线照射到路边的可见光接收设备后,设备将会马上反馈给车载导航仪实时路况信息;另外,在汽车高速行驶时,司机如果分神,接近前车,其车身上的可见光通信设备将主动对本车采取制动措施,并把接近信号传给前车,使前车主动避让。这些都将会给驾驶员提供更优质、更优越的驾驶体验;c.推动智能家居广泛普及。未来可见光通信系统将很可能取代WIFI,未来我们不需要在家中放置无线路由器,仅需打开一盏LED照明灯,我们的手机即可接收到互联网上的气象预报信息、新闻等,另外亦可通过该系统实现家庭成员的终端到终端间的数据秒传

3系统设计

3.1发射终端设计

发射端的硬件设计上,AV信号采集和音频信号采集、放大后,共同送至一个选择器,选择器用来选择音、视频传输模式,选择后通过S9013三极管驱动发射LED,值得注意的是,音视频发射部分不依赖主控芯片控制,为独立的一部分电路。而字符传输则需以来主控芯片的控制,上位机发送的字符信号通过串口1送入主控芯片,经主控芯片处理后转送至串口2,通过S8550三极管驱动LED发射信号。另外地,为了后期调试主控芯片时更方便,我们为主控芯片增加了一个SWD调试接口、BOOT0选择器和复位开关,可以兼容J-LINKDebugger或ST-LINKDebugger对该芯片的调试和串口的程序下载。此外,考虑到今后的系统优化和功能升级,我们额外地为发射端增加了一部分兼容设计,这部分主要包括扩展按键和扩展LED等。在发射端控制芯片选型时,考虑发射端到要使用多个串口并且串口传输的波特率可以被灵活地调节,并且要拥有尽量多的I/O接口以便于我们今后的软硬件优化和功能升级等工作,又综合考虑了成本、调试难度及工作量等因素,最终选择了ST公司的STM32系列芯片中的STM32F103C8T6。在此,我们考虑到SMT外加工的成本和手工焊接的可行性,选择了LQFP-48这种封装形式。根据官方给出的STM32F103C8T6芯片最小系统硬件设计参考则可完成主控芯片及其外围电路设计。

3.2接收终端设计

接收端硬件设计大致分为三部分,三部分相互独立,分别为视频传输部分,音频传输部分和字符传输部分。视频传输部分由高速PIN管接收发射端发射出的视频信号,接收到信号后送至运算放大器作放大处理,后通过USB视频采集卡将处理后的CVBS信号送至上位机显示。音频传输部分由PIN光电管接收发射端发射出的音频信号,接收后通过一个上拉电阻引至3.5mm音频接口,送至音频播放设备。而字符接收部分仍旧选用了STM32F103C8T6这款处理器来进行字符信号的处理,具体工作流程即通过PIN管接收发射端发来的字符信号,随后送入功率放大器进行放大处理,放大后送至串口2,主控芯片将该信号进行还原处理后通过串口1送至上位机进行显示,或是通过OLED显示出来。另外地,和发射端类似,接收端的控制芯片也设置了相应的外围电路,包括预留的一个SWD调试接口、两个串行通信接口,和兼容设计中提到的按键和LED。

4系统测试

4.1视频通信调试

视频通信测试时的具体操作步骤如下,首先,在发射端,将AV摄像头插入发射端AV接口1,将Video/Audio选择器放置到Video一侧;随后将USB视频采集卡通过视频分量线接驳到接收端Video_OUT接口上,检查连接无误后上电,打开视频采集卡配套的上位机程序,并调节发射端发射管静态工作点,以增加或减少发射端运算放大器反相输入端的直流信号幅度,在调节适当后即可从上位机窗口中观察到AV摄像头传回的视频。

4.2音频通信调试

音频通信测试时的具体操作步骤如下,首先,将音频信号源通过3.5mm双公头线缆接入发射端,将Video/Audio选择器放置到Audio一侧;随后将接收端上的Audio_Out接口接驳至外部音响,检查连接无误后上电,在这里我们选择计算机作为音频测试中的音频信号源,所以在上电后打开计算机上的音乐播放软件,开始播放音乐。此时可听到从音响中播放出的测试音乐。

4.3字符通信调试

字符通信测试时的操作步骤相对较简单,仅须将A/VTransmitEnable选择器断开,将计算机上的上位机软件打开,在本系统中,我们使用UartAssist这款串口调试上位机来进行字符通信调试,我们分别打开两个UartAssist,对应发射端和接收端,在软件内设置对应的串口号,并设置波特率为9600,然后打开两个串口。接下来我们可以在发射端对应的串口终端内输入任意字符,随后点下发送,我们可以观察到发射端的发射LED点亮,之后我们即可在接收端对应的串口终端观察到我们发送的信息。5结论经过为期三个多月的设计与调试,本文中所描述的可见光通信系统运行良好,其视频、音频和字符通信部分均可长时间工作在较为稳定的状态下。在系统地调试后,我们将本文所述的可见光通信系统中字符通信部分的最大通信距离调整为600mm(日光光照下)和300mm(灯光光照下),音频通信部分的最大通信距离调整为1000mm(日光光照下)和500mm(灯光光照下),视频通信部分的最大通信距离调整为400mm(日光光照下)和150mm(灯光光照下)。由此可见,我们所设计的可见光通信系统功能基本完整,可靠性良好,基本达到了我们预期的设计构想,可见光通信系统的设计基本成功。但由于本文所研究的系统没有经过高阶调制和数据压缩编码,直接在信道中传输,故系统耐干扰性能不佳,在强光干扰下或在白光照明环境下的传输性能不佳,误码率较高。尤其是在视频传输时,强光干扰会直接导致视频信号严重失真。在今后的设计研究过程中,应将研究方向和重心转移到高阶调制和数据压缩编码上。就目前的实验结果而言,只有在系统中增加调制机制和压缩编码机制,才可以让系统整体的可靠性得到显著提高。本文所研究的可见光通信系统虽整体上实现了LED可见光通信的课题内容,完成了课题研究的预想,但由于现阶段的多种制约因素和软硬件设计上的缺陷使得系统多种通信模式下的信噪比较低,且通信距离不够远,在今后的一段时间内,仍需进行进一步的研究。

参考文献:

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作者:庞宏浩 单位:天津七一二移动通信有限公司

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