基于ARM的无线光传输系统设计

1第一章 绪 论1.1研究背景及研究意义LED 通信(LED Communications)同时具有无线通信和光通信的特征，指的是把 LED 当做信息发射源。LED 通讯的产生缘于半导体行业和通信技术的的飞速发展。现在有各式各样的照明设备，比如荧光灯，白炽灯等，LED 与之相比在光通信有以下几个方面的优势。1.与其他的照明设备相比，LED 有较高的功率，这在光通信正是作为发射光源所需要的。2.LED 的光强度可以在速度很高下进行调制，LED 的调节速度甚至可以达到 us 量级，并且其可调幅度大，而在通信中调节速度是影响通信的一个至关重要的因素;而荧光灯的亮度基本上不可以调节，对于白炽灯可以通过控制两端电压来控制亮度，但是有一个较为严重的缺点是它在发光同时会发出很高的热量，并且亮度调节速度也最高达到 ms 量级，满足不了在光通信的需求。3.LED 的光谱中心波长可以根据所需要的波长而进行控制，可以通过改变工艺来达到改变波长的目的，但是白炽灯和荧光灯的波长是不可以通过工艺来人为的进行改变，它们的中心波长是固定的。4.相比于其他的光照设备来说，LED 只需采用低电压下的恒压源或者恒流源，而像白炽灯就要采用高压交流电源，就不可以作为调制信号的光源。综上可以看出，现阶段的照明条件下，相比于其他的照明设备 LED 更适合作为光通信得光源，LED 在光通信的广泛使用，也使光通信的新领域变得欣欣向荣，在以后也许只需要点亮一个 LED 就可以用接收数据，可以预见的是 LED通信在未来的通信行业将占有不可动摇的地位。1.2研究现状1.2.1 国际研究现状自英国爱丁堡大学的教授哈拉尔德哈斯发明 LED 通信后，许多的国家从此将 LED 通信技术作为一项重要的研究课题，并且在 2003 年，对于 LED 可见光通信国际学会专门做了一次研讨会，在此后包括日本在内的许多发达国家对LED 通信技术投入了大量的人力物力，日本的“可视光通信联盟”，美国的“智能照明计划”等，更是让可见光通信进入大众化的全新视野。2在 2008 年，欧盟设置家庭吉比特接入计划(OMEGA)，这项计划结合了可见光通信技术，在信息速率更是达到了 1Gbps。2013 年，德国海因里希赫兹研究院、英国爱丁堡大学与牛津大学等国际机构更是将可见光通信的带宽扩展为180MHz，实时速率 512Mbit/s，离线速率 10Gbit/s 的惊人的数字。1.2.2 我国的研究现状在我国可见光通信是近些年刚发展起来的一项技术，虽然我国的 LED 通信技术比起发达国家起步较晚，但也在许多的科研人员不懈努力下取得了一些骄人的成绩，比如信息工程大学、北京大学和清华大学带宽速率提高到了与国际同步的先进水平。近些年来国内的无线可见光技术更是取得了惊人的发展。在2014 年 8 月 28 日，在广州举办的全球可见光通信大会，这次会议标志着我国可见光通信的研究与产业化进入与发达国家一样的快速发展行列。因此有望通过战略联盟制定统一的标准、专利、专用 IC、单元系统和通信协议。在某一项新的技术诞生时，人们通常会对这项新技术的认识不足，开始的时候也许只是会做一些基础的改变，而不能进行大胆创新。 就像电话的发展，从最初的人们只是想可以进行远距离的交谈传递消息，现在手机的功能不仅仅局限于此了，“微信，手机游戏、视频、支付”等这些功能也许连最初发明手机的人也没想到吧。通讯技术进一步发展成熟，光通信系统的应用规模也将会继续壮大，呈现新的应用领域。我们坚信，从产生、应用、发展、扩充到再发现、再发展，这项技术的应用将出现我们目前想象不到的结果。3第二章 LED 通信技术2.1 LED 的结构与发光原理LED 的核心部件就是一个半导体晶片，形成 PN 结之前，费米能级进入导带和价带。选用同种材料，导致 N 型半导体和 P 型半导体的禁带宽度基本相同。P 型半导体和 N 型半导体接触形成 PN 结，由于电子空穴浓度差，电子由 N 区向 P 区扩散，而空穴由 P 区向 N 区扩散。在 PN 结外加一个正向偏压（P 正 N负），P 区的空穴大量的注入 N 区，N 区电子大量的注入 P 区，这样，在 P 区和 N 区靠近界面的地方电子和空穴复合发出光。PN 结在正向偏置时，N 区的电子与 P 区的空穴克服内建电厂的作用，越过结区，此时扩散运动超越漂移运动，从 P 到 N 区产生净电流。电子和空穴在扩散运动中产生复合作用，释放出光能，实现发光。这种发光是电致发光，是一种自发辐射，发出荧光，这就是发光二极管的工作原理。图 2.1 常见 LED 灯珠的结构图图 2.2 LED 原理图42.2 LED 的物理特性伏安特性、调制特性和电光特性是 LED 三个基本的物理特性。下面是对LED 的三个特性的重点分析。LED 伏安特性：LED 伏安特性是指电压随着电流变化的关系特性曲线，LED的伏安特性如下图所示。图 2.3 LED 伏安特性曲线通过图中可以看到，一般伏安曲线包括正向特性曲线与反向特性曲线，LED 的正向特性有死区，超过死区电压时，电流随着电压的增加也在变大。可以从图上明显看到在反向曲线上较为陡峭，在电压超越某一电压值将会指数的增加，这就是击穿现象，而这个电压值即为 LED 的阈值电压。通常可用反向击穿电压、反向电流、正向电压这三个参数来对伏安特性曲线描述。调制特性:就是将发送的信息通过电压作用在 LED 上发射相应的光信号的特性。LED 具有非常短的响应时间。也就是说 LED 有相当高的调制频率，最大调制速率其实就是我们所熟知的调制带宽。通常将调制带宽的大小来描述调制能力大小。电光特性：电光转化特性（P-I）指的是 LED 注入电流的大小和光输出功率之间的关系。半导体发光二极管又分为直流输出功率和秒冲输出功率，所以可以看出功率这个参量对发光半导体来说是一个重要的参量。5图 2.4 LED 电光转化特性曲线在光通信技术中对调制光源的两个基本要求：（1） 足够的光功率输出;（2） 可靠性高、寿命长；2.3 LED 发射技术的研究 2.3.1 LED 驱动调制技术LED 驱动调制技术有模拟调制和数字调制两种方式，在电子通信发展的初期到现在模拟调制都有较广范围的应用，在图 2.5 所示的是模拟调制技术的原理。图 2.5 模拟调制技术原理一般情况下，以下图 2.6 是两种常见的模拟调制电路图，图中 a 是含有达林管的驱动电路，图 b 是一种常见的模拟调制电路。图 a 比起图 b 的调制方式有信号频率高和输入阻抗高等优点。6a b图 2.6 常见的模拟调制电路数字调制电路:数字调制就是利用数字信号输出高低电平来完成基本的数字信号输出，这种数字调制方式重要的是解决高低电平变化的频繁程度的问题，那么如果想要让二极管输出一个脉冲信号就要使接二极管输入为高电平，此时发射出一个光脉冲。下图表示的是数字调制的原理图：图 2.7 数字调制原理图数字调制方式，将数字电平的高低理解为一个开关的闭合和打开，采用下图 2.8 所示的共射极驱动电路，从下面的电路图中可以看出发光二极管的熄灭和发光是由三极管的导通和截止来决定，当输出 I/O 口为低电平时，三极管截止，那么发光二极管也不会发光。输出 I/O 口为高电平时，三极管导通，此时发光二极管发出光脉冲。7图 2.8 共发射极调制电路数字通信容易与电脑结合，并且数字信号编码操作更容易，在可靠性上数字信号相比于模拟信号的可靠性高的多，并且在单片机上更容易实现，因此和模拟调制比起来，在此次设计中采用数字调制更方便和高效，只需要操作单片机的某一输出端口的高低电平就可以调制信号信息。本章小结在本章中主要通过 LED 的结构、发光原理、光源特性、发射调制技术等几个方面介绍 LED 通信技术，多个角度的分析其在通信的作用和基本实现的几个方法，从基础上了解其本质特征，通过这几个方面的介绍为后面的工作打下了基础。8第三章 基于 ARM 的光无线传输系统设计本次设计的基本思想就是使用两块 STM32F103RBT6 的开发板，其中的一块用于发射信息，主要负责将发射的信息用来调制 LED 的光脉冲，另一块用于接收信号，通过光接收器将光信号转化为电信号，然后在通过串口显示出来。3.1 基于 ARM 光无线传输系统框图图 3.1 基于 ARM 的光无线系统的设计框图系统先是将电脑上程序中的数据通过程序下载在 STM32F103RBT6 中去，然后在通过对二进制基带信号进行编码调制得到调制信号。本次的设计中系统采用 38KHz 的载波频率，将调制信号来控制 I/O 端口来控制 LED 的光脉冲信号，通过光路系统，由光接收器将光信号转化为电信号，解调发送到 STM32 中去，在由程序实现在串口助手上显示接收到的数据。3.2 光路传输系统的设计在无线传输光系统中传输的方式有很多种，一方面主要根据发射端是不是定向的，若发射端是定向的，即若是平行光向某一个特定的方向传输光信号，这样发散角非常小，那么将这种发射端称为定向发射机。反之如果采用的发射和接收都具有较大的发散角，没有特定的传输方向，那么这种传输方式就是非定向式传输。另一方面可能存在混合的类型，即发射是定向的，接收是非定向的，或者发射是非定向的而接收是定向的。在本次设计中采用的是定向的发射和接收。图 3.2 光路传输系统设计原理图光路系统前面的 LED 发出光经过凸透镜发射出平行光，传输一段距离后经过透镜，由透镜的汇聚作用，聚光照射到光探测器上，因为此光路可以使光脉光路STM32F103RBT6 信号调制模块LED光接收信号解调模块块STM32F103RBT69冲传输时为平行光，可以有效的减少 LED 的发散角，使其发出的光能够尽可能的最大距离的传输，使系统的传输距离能够在 1M 内稳定的传输数据。3.3 MDK uVision4 软件开发环境RealView MDK（Microcontroller Development Kit）是 ARM 开发软件，包含 KeilC 编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件。MDK 可以为ARM7、ARM9、Cortex-M3 的微控制器进行程序开发。此软件有比较强大的程序编辑器以及各种开发工具。Keil Vision 4 在全世界有很多的客户，在 ARM 工程师中 80%以上都在使用。在国内使用过单片机的几乎人人都知道 Keil Vision，这个软件如上面所述具有强大的功能能够对 8 位、16 位 MCU 开发工程师顺利的过渡到 32 位 ARM 的应用开发。Vision 4 拥有和 VCC+类似的界面系统，对于刚接触学习开发的人员来说，这个开发软件容易学习，操作简单。其支持汇编、C+、Java 等多种语言，在调试程序、软件仿真方面有强大的功能，是应用最早的嵌入式开发工具，因此很多开发 ARM 应用的工程师都十分喜欢使用它。图 3.3 MDK uVision4 软件开发环境界面3.4 STM32F103R8T6 的介绍STM32 是专门应用于 ARM Cortex 内核的一款高性能、低成本、低功耗的开发板，现在的 STM32 的时钟频率达到了 72MHz。STM32F103R8T6 是 ST 公司出产的一款适应于多个场合的加强型处理器。STM32 不仅仅可用于家用电器，10也可以用来医疗设备、游戏主控芯片以及各种手持电子设备。同时也可以用于报警设备和通信设备等。图 3.4 STM32 的时钟系统图STM32 有 5 个时钟源分别为 HSI、HSE、LSI、LSE 、PLL 。 HIS 是一个精度不高的内部时钟。它的频率为 8MHz。 HSE 是一个高速的外部时钟，可以连接外部晶振，时钟频率范围在4MHz-16MHz 之间。 LSI 是一个由 RC 振荡器提供的低速内部时钟，频率可以达到 40KHz。 LSE 外部时钟，频率为 32.768kHz 的石英晶体所提供。 PLL 叫做锁相环倍频输出，时钟来源有内部高频时钟 HIS 的两分频，或者为外部高速时钟 HSE 或者其二分频。Systick 定