北京理工大学_毕业设计_基于可见光通信的定位数据接口及应用技

1、摘 要可见光通信技术是 21世纪兴起的无线光通信技术,是对光无线通信领域 的又一开拓。在可见光通信中, LED 灯的作用极为显著。 LED 灯在系统中同 时起到室内照明和通信的双重功能, 是传统照明系统所无法比拟的。 在本文中, 将以可见光通信为基础, 实现室内定位技术, 为以后实现高精度室内定位技术 打下基础。在可见光通信定位系统中,引入了新型的移动平台安卓。安卓 的搭建将使可见光通信系统变得更加便携。本文主要论述可见光通信系统的组成及原理, FPGA 模块的原理,以及安 卓移动平台搭建与软件开发。 作者阅读了大量可见光通信系统相关文献, 并在 Eclipse 平台上用 java 语言开发了

2、软件来接收从 FPGA 模块传输的数据并在坐 标系中显示出来。本文首先介绍可见光通信系统的应用背景; 其次论述可见光通信系统的工 作原理; 然后简单论述 FPGA 模块的工作原理; 接着介绍及安卓移动平台及开 发的软件;然后再介绍实验中使用的芯片及;最后介绍芯片与电脑端及 FPGA 模块的连接及软件在芯片与 FPGA 相连时的结果及其分析。关键词:可见光通信;室内定位; FPGA ;安卓IAbstractVisible light communication is a new technique of Wireless optical communication in 21century, w

3、hich is a new development of Wireless optical communication. In the visible light communication, LED plays an important role. LED can be lighting and transmit source at the same time, which is beyond the traditional source. In this paper, we will use the visible light communication system as a basem

4、ent to built the indoors-positioning system so that it can be used in the further high-accuracy positioning technology study. In the visible light indoors positioning system, we introduce a new platform, android. The android platform can make the visible light indoors positioning system more conveni

5、ent to carry.This paper puts emphasis on the construction and the theory of visible light communication system, the theory of FPGA. and how to use android development tools to build android software. The author read a great amount of literature and standard papers, manage to build the software in ja

6、va on the eclipse platform to receive the data from FPGA and display in the coordinate system.In this paper, the author firstly introduces the background of visible light communication. Secondly he details the theory of visible light communication system. Then, the author discusses how FPGA works. N

7、ext, he discusses what is android and how to build software in the computer, and presents the software using in the experiment. Then, he presents the chips using in the experiment. Finally, the author presents the result of connecting the chips to the FPGA and to the computer, analyses and subjectiv

8、ely evaluates the result.Keywords:Visible Light Communications; Indoors Positioning; FPGA; Android;II目 录摘 要 . I ABSTRACT . II目 录 . I II 第 1章 引 言 . . 1 1.1选题背景室内定位的应用前景 . 1 1.2定位技术现状 . . 1 1.3本文的安排和作者的工作概要 . 2第 2章 可见光通信技术及系统 . . 4 2.1光通信的发展历程 . 4 2.1.1光通信的关键突破 . 4 2.1.2LED 照明技术的兴起 . 4 2.1.3光通信基本概念及其优

9、点 . 4 2.2可见光通信的工作原理 . . 5 2.2.1传统不可见光无线通信技术 . 5 2.2.2可见光通信技术 . 6 2.3室内可见光通信系统 . 7 2.3.1典型室内可见光通信系统基本组成 . 7 2.3.2室内可见光通信定位系统 . 8 2.3.3可见光光通信系统的特点 . 9第 3章 通信平台的建立 . 10 3.1信号处理模块 FPGA 模块结构与接口 . . 10 3.1.1FPGA 基本组成 . . 10 3.1.2FPGA 的特点 . . 10 3.1.3FPGA 的配置模式 . 10 3.1.4FPGA 的配置过程 . 12III3.1.5UART 异步串行通信口

10、 . 13 3.2安卓移动平台 . . 13 3.2.1安卓系统的特点 . 14 3.2.2安卓系统的架构 . 14 3.2.3搭建安卓开发平台 Eclipse . 16 3.3安卓软件开发 . . 18 3.3.1接收模块 . 18 3.3.2数据转换模块 . . 19 3.3.3显示模块 . 20第 4章 安卓设备的连接与通信 . . 21 4.1FT311D 模块 . 21 4.1.1FT311D 模块介绍 . . 21 4.1.2FT311D 产品特点 . . 22 4.2FT232RL 模块 . 22 4.2.1FT232RL 模块介绍 . . 22 4.2.2FT232RL 产品特

11、点 . . 23 4.3电脑端与安卓设备之间的连接与通信 . 24 4.3.1电脑端、模块与安卓的连接 . 24 4.3.2电脑端与安卓设备连接测试 . 25 4.4FPGA 模块与安卓设备之间的连接通信 . 28 4.4.1FPGA 与安卓的连接 . 28 4.4.2FPGA 与安卓的连接测试 . 30总 结 . 32致 谢 . 33参考文献 . 34IV北京理工大学本科生毕业设计(论文第 1章 引 言1.1选题背景室内定位的应用前景随着经济的不断增长和现代技术的不断发展, 加上智能手机的普及以及移 动互联网的发展,导航、定位服务的需求日益增大,地图与导航类软件将更侧 重于室内导航, 尤其是

12、在比较复杂的室内环境, 如展览馆、 机场大厅、 图书馆、 仓库、超市、地下停车场等公共场所,常常需要确定人们在室内的位置信息。 据研究调查显示,人们平均 80%至 90%的时间在室内,其中平均 70%的时间 在使用移动电话, 80%数据连接使用时间在室内。因而室内定位有着十分广泛 的应用前景。在公共安全和应急响应方面,室内定位有助于救援人员精确定位求救者, 定位建筑物的位置,甚至是楼层、房间号。在手机购物、移动电子商务、个性 化广告和优惠信息方面可以通过室内定位根据不同的位置发送不同信息。 室内 定位在大型建筑物公共安全、 应急疏散及灾后救援等重大需求面前, 需要在建 筑物内精确定位位置, 而

13、实现在大型复杂建筑环境内高精度的定位将为导航监 控与应急服务管理提供帮助。1.2定位技术现状定位技术可大致分为室外定位和室内定位两种。室外定位我们比较熟悉的是全球定位系统(GPS ,是由美国建立的一个 卫星导航定位系统。 GPS 定位主要用于对人及设备进行实时远程定位监控的技 术。但由于全球定位系统 GPS 属于卫星定位,定位精度较低。而随着基于定 位技术的服务受到越来越多的关注, 实现高精度的定位越来越成为人们的需求, 引得国内外对室内定位研究很热。室内定位是指在一定空间内的定位技术。 有许多大学和研究机构一直在研究室内定位技术, 这些技术的实现方法主 要可以分为三种:三角定位法,场景分析法

14、以及近似法,常用的室内定位技术 主要有红外线、 802.11、超声波和无线射频(RFID 技术。1红外线:Olivetti 研究实验室的 Active Badge 系统采用红外线技术实现室 内定位技术, 有直线视距和传输距离较短两大主要缺点, 使得它在室内定位中 的效果较差。IEEE802.11:RADAR 是一种基于射频的室内定位系统, 采用标准的 802.11网络对空间进行定位, 该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式, 易 于安装、 需要很少基站, 能采用相同的底层无线网络结构, 但系统总精度不高 。 超声波:Active Bat是采用超声波定位的典型例子,它采用超声波时延信 号进

15、行定位,其整体定位精度较高,但需要大量的底层硬件设施投资,成本太 高。无线射频技术 RFID 定位是一种基于信号强度的定位技术,它使用接收到 的信号强度指示 (Received Signal Strength Indicator, RSSI 来确定待定位物体的 位置。无线射频识别 RFID 具有其独特的非接触性,以及非视性 (不用在可视 范围内 ,但它仍有占用无线电频谱、有电磁干扰和电磁辐射等缺点。除了上述这些方法,最新的一个研究热点是基于 LED 白光的可见光通信 技术的室内定位。白光 LED 用电场发光、低电压供电,光效高、寿命长、安 全性好、 稳定性高、 低功耗、 无辐射、 抗震、 可靠

16、、 耐用, 是理想的照明光源。 白光 LED 的响应时间短、 具有高速调制特性, 使得白光 LED 还可以进行通信, 实现照明和通信双重功能,使可见光通信技术 (Visible Light Communication, 简称 VLC 因运而生。与传统射频通信以及其它无线光通信系统相比,可见光 通信技术的发射功率高,且不占用无线电频谱、无电磁干扰和无电磁辐射、节 约能源 2,使得它成为室内定位中一个研究的热点。1.3本文的安排和作者的工作概要经过老师和学长学姐们的努力, 实验室里已经初步搭建好一个 可见光通信 系统平台,其中三个 LED 灯两两相距 20cm ,成一个等边三角形,三角形中间 放置

17、一个光电探测器,光电探测器可以接收来自三个 LED 灯的光强信号并通 过 FPGA 模块形成位置信息, 位置数据再传入电脑上位机, 电脑上位机根据不 同的位置发送不同位置的广告信息, 实现在不同位置传输和显示不同广告信息 的功能。2然而由于电脑端比较笨拙,不利于携带,考虑到未来手机设备,移动电子 商务等发展起来, 应用在移动平台上更有宽广的应用前景, 于是本文提出了一 种用安卓移动设备作为上位机, 通过有线的方式实现 FPGA 的数据接收和传输。 本文第 2章详细地讲述可见光通信系统的基本组成以及系统的原理。 第 3章介绍通信平台的建立, 包括 FPGA 模块的工作原理以及模块的接口 类型、安

18、卓移动平台、安卓开发平台及实验中安卓软件的具体代码。第 4章介绍应用于本次实验的两个开发模块 FT311D 模块及 FT232RL 模块、电脑端及 FPGA 模块与安卓设备之间,检验软件的可行性3第 2章 可见光通信技术及系统2.1光通信的发展历程2.1.1光通信的关键突破1880年, 贝尔把太阳光当作光源, 以大气为传输媒质, 用硒晶体接收光, 成功实现光电话,通话距离最远达到 213米。 1881年,贝尔用一篇题为关 于利用光线进行声音的产生与复制的论文,报导了他的光电话装置。1960年,美国著名科学家梅曼(Meiman 发明了世界上第一个红宝石激 光器。激光器发出的激光谱线很窄,比传统的

19、光源要窄好多,而且强度又高、 方向性又好、相干性还好,是极为理想的相干光源,作为信息的载体是最好不 过的了。在光纤发展起来之后,不可见光通信系统渐渐成熟起来。2.1.2LED 照明技术的兴起最近几年,随着发光二极管 Light Emitting Diode , LED 半导体器件的照 明技术发展迅速, 将信号调制到 LED 灯上, 使 LED 具有照明和通信两种功能, 实现可见光传输信息的技术也逐渐发展起来。 随着工艺的不断进步, 白光 LED 光源得以生产。白光 LED 灯的出现使高效率照明技术前进了一大步,也使可 见光通信得以有载体传输信息。白光 LED 采用电场发光和低电压供电, 具有寿

20、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,几乎综合了各种传统光 源的优点,被誉为 2l 世纪新固体光源时代的革命性技术。用白光 LED 来传输 超高速数据是明智的选择。 白光 LED 可以在波长 450nm 至 470nm 的蓝光 LED 上覆盖一层 YAG 淡黄色荧光粉涂层制成,这种黄色磷光体是掺了铈的钇铝石 榴石 (Ce3+:YAG晶体磨成粉末后和一种稠密的黏合剂混合制成的。2.1.3光通信基本概念及其优点光通信指的是用光作为信息的载体来传递信息,它是由电通信发展而来。 在光通信以前基本是利用电通信。 光通信技术是与成熟的电通信技术密不可分4的。 现代的

21、光通信技术基本还是电通信技术和光子技术相结合的技术。 光通信 技术与电通信技术相结合, 使得通信技术在电通信技术的基础上多加上了光通 信的优点。这些优点有:1 容许的频带很宽,在不同频带上传输都可以。2 传输带宽较大,容量较大。3 损耗较小,经中继后可传输的距离很长。4 误码率较小。5 抗电磁干扰。6 安全性高,保密性好。7 节约金属材料。2.2可见光通信的工作原理2.2.1传统不可见光无线通信技术可见光是电磁波谱中人眼可以感知的电磁波部分, 不可见光是指除可见光 外其他所有人眼所不能感知的电磁波, 包括无线电波、 微波、 红外光、 紫外光、 x 射线、 射线、远红外线等。利用 950nm 近

22、红外波段的红外光来通信的技术叫红外通信技术。红外通 信先将二进制信号在发送端调制成一系列脉冲串信号, 信号传入红外发射管中, 由红外发射管发射红外信号, 信号经过红外信道传输到接收端, 接收端将接收 到的光脉冲转换回电信号。电信号经放大、滤波等处理后,进入解调电路进行 解调,还原成二进制数字信号,最后输出。利用在 200nm 到 280nm 之间的紫外光通信来。紫外光通信基于大气散射 和吸收,基本原理是以日盲区的光谱为载波,将信息电信号在发射端调制,然 后加载至紫外光载波上,信号通过大气散射作用传播,信号到达接收端时,接 收端接收紫外光束, 经解调转换成原信号。 紫外光通信在复杂环境下可近距离

23、 通信,且抗干扰、安全性好。射频频段的无线电波应用最广泛, 无线电技术利用导体中电流强度的改变 产生无线电波,通过把信号调制到无线电波上进行传输,在接收端,无线电波5会引起电磁场变化从而在导体中产生电流, 将信号从电流中解调出来就实现了 通信。2.2.2可见光通信技术可见光通信(Visible Light Communications, VLC 技术指通过把高速信 号调制到半导体器件 LED 灯上进行传输,用光电探测器接收光载波信号,因 肉眼察觉不到光 LED 灯的高速调制, 使得 LED 灯同时具有照明和通信两个作 用。室内可见光通信是在 LED 灯发展起来之后新兴的一门技术。通信系统发射端

24、将信号调制成电信号, 再通过 LED 灯转换成光信号传输。 接收端用光电探测器将可见光信号接收并转化成电信号,最后解调信号读取。 传统光通信利用不可见光, 一般是无线电磁波传播信息。 由于传统光通信 已经很成熟了, 相匹配的标准也是很受业界支持采用。 传统的光通信可以利用 中转站传输到很远的地方,而且覆盖面特别广。但无线电占用无线电磁谱,高 频的无线电磁波还容易被电子设备干扰, 且对人体有电磁辐射伤害, 这些缺点 使得可见光通信的优点显现出来。 可见光通信不占用无线电磁谱, 没有电磁干 扰和电磁辐射, 虽然传输距离受到限制, 但从另一方面讲可以使得信息不泄漏, 保证了信息的安全。 可见光通信的

25、通信速度可达兆每秒或百兆每秒, 通过 LED 灯照射就可以传输信息,通信速率可以保证多台电脑同时使用。本节主要介绍了光通信的发展以及可见光通信的工作原理, 与传统光通信 不同的是,可见光通信系统所用的可见光波长范围为紫色的 380nm 到红色的 780nm ,这也体现了可见光通信系统既能用来照明,又能用来通信的特点。下 一节我们会讨论可见光通信在室内定位技术里的应用。62.3室内可见光通信系统2.3.1典型室内可见光通信系统基本组成图 2-1室内可见光通信系统结构示意图如图所示为室内可见光通信系统的典型结构图,该系统包含白光 LED 光 源、 可见光无线集线器 (VLC Hub 、 计算机、

26、可见光通信适配器 (VLC Adapter 、 光电探测器(PD 及相应信号处理单元等。计算机发出信息,通过适配器把 信息传输到天花板上的光电探测器, 探测器将光信息转换成电信号, 在传入无 线集线器。集线器将信号处理后通过光源发射出去,到达计算机接收端时,信 号被解调出来,传入计算机实现通信。可见光通信系统包括下行链路 (down link和上行链路 (up link两部分,两 条链路都包括发射和接收。由白光 LED 光源和信号处理单元完成发射部分。 LED 主光源在天花板上,每个用户的适配器上还都有一个用户光源。 72.3.2室内可见光通信定位系统如图所示为室内可见光通信定位系统结构图:图

27、 2-2室内可见光通信定位系统结构图室内可见光通信定位系统包括 LED 灯、光电探测器、 FPGA 信号处理模 块等。 室内可见光系统也有上行链路和下行链路。 其中上行链路由用户发送信 息至服务器,下行链路由服务器发送信息至用户。在实验中有三个两两相距 20cm 的 LED 灯在光电探测器上方,光电探测 器放置于三个 LED 灯之间。下行链路中, LED 灯发出的光经过不同的距离传 输到光电探测器上,接收到来自三个不同的 LED 灯发出的光,探测出距离三 个 LED 灯的距离信息,把距离信息传输到 FPGA 模块, FPGA 模块把信息进 行处理。在 FPGA 模块中,以其中一个 LED 灯为

28、原点,三个 LED 灯组成的三 角形的一边为 x 轴, 建立坐标系, 把接收到的距离信息转化成位置坐标信息并 输出,通过有线的方式传输至终端显示,完成下行链路。 8在实验中用安卓系统来作为终端来显示数据, 同时安卓系统还可以把用户 的信息还可以发送回服务器, 也就是可以实现上行链路。 但安卓可以用多种方 式连接。大致有以下三种方式:1 用音频接口连接。音频接口传输速率不快,而且以音频信号为主,在 这里不是很适合用作信号传递的接口。2 用蓝牙连接。蓝牙可以无线传播,速率也可以很快,但蓝牙一旦遇到 人多的时候就有可能连接不上。3 用 USB 接线连接。 USB 接线可以连接到安卓上,虽然是用有线的

29、方 式,但它克服了多个终端同时连接的问题,传输速率可以很快。是实 验中比较理想的连接方式。2.3.3可见光光通信系统的特点与普通光无线通信和射频通信相比,可见光通信具有以下突出特点 4:1 可见光无毒无害;2 可见光可以通过室内 LED 灯安装,方便快捷。3 发射功率高。普通光无线通信如果发射功率一高会损害人的眼睛,因 而发射功率不能太高。而可见光无害,发射功率较高。本章介绍可见光通信系统的组成及室内可见光通信定位系统的组成, 是本 实验所依赖的系统, 也是实验的基础。 下一章将介绍可见光通信系统中信号处 理的模块。9第 3章 通信平台的建立3.1信号处理模块 FPGA 模块结构与接口3.1.

30、1FPGA 基本组成FPGA 是英文 Field -Programmable Gate Array的缩写, 即现场可编程门阵 列,它是在 PAL 可编程化阵列逻辑 Programmable Array Logic、 GAL 通用阵列 逻辑 Generic Array Logic、 CPLD 复杂可编程逻辑器件 Complex Programmable Logic Device等可编程器件的基础上更新一步发展的产物。现场可编程门阵列 是专用集成电路 (ASIC Application-specific integrated circuit 领域中的一种半 定制电路,有定制的优点,且与传统可编程器

31、件相比,它还有多种门电路 它的出现不但解决了定制电路的不足, 而且克服了原有可编程器件门电路 数有限的缺点。FPGA 采用逻辑单元阵列 LCA (Logic Cell Array,内部包括可配置逻辑 模块 CLB (Configurable Logic Block 、 输出输入模块 IOB (Input Output Block 和内部连线(Interconnect 三个部分。3.1.2FPGA 的特点1 FPGA 可以设计 ASIC 电路,不需要生产芯片。2 FPGA 可作为试样测试全定制或半定制 ASIC 电路。3 FPGA 内部有极其丰富的触发器和 I/O引脚。4 FPGA 的设计周期很

32、短、开发费用很低、风险非常小的器件。5 FPGA 用了高速 CHMOS 工艺,功耗低且兼容 CMOS 、 TTL 电平。 3.1.3FPGA 的配置模式FPGA 用芯片中的 RAM 存入程序,根据程序来设置工作状态,当 FPGA 工作是,需要在 RAM 中写入程序。程序可以配置 FPGA 的模式,不同的配置 模 式 用 不 同 的 编 程 方 式 写 入 。 加 电 时 , FPGA 芯 片 将 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory中的数据读入芯片内的编程 RAM 中,完成10后, FPGA 开始工作。断电后, FPGA 内部逻辑关系消失,

33、这使得 FPGA 可以 重复使用。 FPGA 编程无须专用的编程器, 用通用的 EPROM 或 PROM 就可以。 要改变程序功能时只需换一片 EPROM 就可以了。所以, FPGA 可以通过不同 的程序来使用不用的电路功能,这是 FPGA 特别灵活的地方。FPGA 器件需要每次都配置一次,所以配置下载方式也有不同,分为以下 三种:主动串行配置方式(AS 和被动串行配置方式(PS 和 JTAG 联合测 试工作组 (Joint Test Action Group配置方式。1 主动串行 AS 配置方式由 FPGA 器件引导配置过程, 所使用的器件是新型低成本器件, 如 EPCS1、 EPCS4。器

34、件的芯片包含永久性存储器和四个引脚接口。 AS 配置芯片有一个 串行接口来存取数据, FPGA 主动从串行接口读取数据。 AS 配置方式可以通 过 DATA0引脚把数据传入 FPGA ,而且与 DCLK 输入同步,每一个 DCLK 时 钟周期传输一位数据。 由于这种模式由 FPGA 主动去配置接口, 因而这种配置 方式称为主动串行配置方式,即 AS 配置方式。它与 FPGA 的接口为以下简单 的 4个信号线:a . 串行时钟输入 DCLK :b. AS控制信号输入 ASDI ;c . 片选信号 nCS ;d. 串行数据输出 DATA0。2 被动串行 PS 配置方式被动串行 PS 配置方式是由外

35、接计算机或控制器来控制配置过程的配置方 式, 这种方式可以使用下载电缆、 加强型配置器件等配置器件或智能主机来配 置,配置时 DATA0引脚把数据传入 FPGA ,在 DCLK 上升沿锁存,每一个时 钟周期传入一位数据。在这种配置方式下,由于 FPGA 被动接收配置时钟、命 令和数据, 发出配置状态信号等, 因而这种配置方式被称为被动串行配置方式, 即 PS 配置方式。与 FPGA 的信号接口 :e . 配置时钟 DCLK ;f . 配置数据 DATA0;g. 配置命令 nCONFIG ;11h. 状态信号 nSTATUS ;i . 配置完成指示 CONF_DONE。3 JTAG 配置方式JT

36、AG 是国际标准的测试协议,主要用于测试芯片。 JTAG 接口用联合边 界扫描接口引脚,配置可用 Altera 下载电缆或主控器。 JTAG 接口由四个必需 的信号 TDI 、 TDO 、 TMS 和 TCK 以及一个可选信号 TRST 组成,其中:a . TDI用于测试数据的输入;b. TDO用于测试数据的输出;c . TMS模式控制管脚,决定 JTAG 电路 TAP 状态机的跳变;d. TCK测试时钟;e . TRST:如果 JTAG 电路不用,可以连到 GND 。3.1.4FPGA 的配置过程FPGA 正常工作时,配置数据存储在 Static Random Access Memory S

37、RAM中, SRAM 单元也被称为配置存储器 configure RAM。 SRAM 存储器数据易失, 在 FPGA 上 电 后, 配置 数据 需要由 外部 电路驱动 重新载 入到 芯片内的 配置 RAM 中。芯片配置完,寄存器和 I/O管脚需要初始化 initialization 。初始化后 芯片才能正常工作。FPGA 通电后进入配置模式 configuration ,接着配置数据以每一个时钟周 期一个数据传入 FPGA 。数据传入完毕后, FPGA 进入初始化模式。初始化完 毕,进入用户模式 user-mode 。当 FPGA 在配置模式和初始化模式下时, I/O管脚处于高阻态(或内部弱上

38、拉状态,进入用户模式后 ,用户 I/O管脚就可 以正常工作了。在可见光通信系统中, 从光电探测器中探测到的光强信息被输送入 FPGA 里, FPGA 配置的程序里可以将接收到的光强信息经过程序运算,得出光电探 测器所在的坐标并输出。输出的接口为 UART 串行接口,将在下一节介绍。123.1.5UART 异步串行通信口UART 通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 也称异步串行通信口,涵盖了 RS232、 RS449、 RS423、 RS422和 RS485等接 口标准规范和总线标准规范, 这些标准规定了通信接口的传输速率、

39、 电气特性、 机械特性和连接特性等。在实验中我们所用的标准是 RS232。在 RS-232标准中,字符是以一个接 一个的串行(serial 比特串传输的。这种标准需要的传输线少,而且配线非 常简单、 传送距离比较远。 编码格式常用的是异步起停 (asynchronous start-stop 格式,这种编码格式由一个起始比特(bit 开始,后面有七或八个数据比特, 然后有奇偶校验比特,由一或两个停止比特结束。这种编码标准,如果要发送 一个字符,那么至少需要十比特,但也有优点,那就是传输速率、发送信号的 速率全都以十划分。通常代替异步起停方式可以使用高级数据链路控制协议 (High-Level

40、Data Link Control或简称 HDLC 。RS-232标准中,逻辑一和逻辑零电压级数被定义了,标准传输速率和连 接器类型也都确定下来了。信号大小在正负 3V 到 15V 之间。 RS-232规定接 近 零 的 电 平 无 效 ; 逻 辑 一 用 负 电 平 表 示 , 有 效 负 电 平 的 信 号 状 态 称 为 传 号 (marking ,意为 OFF ;逻辑零用正电平表示,有效正电平的信号状态称为 空号(spacing ,意为 ON 。供电电源的不同,可能导致不同的电平,±5V 、 ±10V 、±12V 和±15V 都是可能的。本节主要

41、介绍可见光通信系统中信号处理模块 FPGA 及模块所使用的串 口协议 RS232。 实验用需要把信号从 FPGA 中传输出来, 传入到安卓移动平台 里,因而还需对安卓移动平台做一个介绍,这部分将放在下一节。3.2安卓移动平台为了实现 FPGA 模块与安卓的连接, 我们需要先了解安卓。本节介绍安卓 系统的特点和架构,及如何搭建安卓开发平台。133.2.1安卓系统的特点Android 是一种基于 Linux 内核的操作系统, 系统开放源代码, 比较自由, 主要应用于移动设备,如智能手机和平板电脑等,是 Google 公司及手机联盟 联合开发的。安卓作为移动平台上的载体已经越来越深入到我们的生活。

42、安卓平台有以下五种特点:1 生态系统的开放性,开发的平台允许任何第三方加入。2 打破应用程序边界。安卓系统中各个应用均可通过标准 API 调用核心 移动设备功能,系统功能可被应用调用,应用也可以被应用调用。3 应用程序平等性。每个应用程序都没有等级之分,任何应用都能被替 换或扩展。4 应用支持 WEB 嵌入,方便应用程序通过 web 展示应用内容。5 支持后台运行。安卓基于 Linux 内核开发,支持多任务运行。3.2.2安卓系统的架构安卓涵盖核心库, 核心库里提供 JAVA 编程语言核心库里的绝大多数功能。 安卓采用了分层的设计构架模式,其系统架构图如下:图 3-1安卓系统架构图 141 最

43、上一层是核心应用程序。每一版 Android 发布的同时都会带有一系列核心应用程序包, 里面包含了 SMS 短信、联系人管理器、日历、 email 、地图、浏览器等。这些应用用 JAVA 语言编成。除了这些应用,第三方开发的应用也属于这一层。2 应用程序框架开发人员可以完全访问核心应用程序所用的 API 框架。这种架构设计使 组件很容易就可以被重用, 任何程序都可以使用功能快。 同时这种重用机制也 使得应用可以十分方便地被替换。 每个应用背后还有一系列服务和系统, 如下:丰富而可扩展的视图(Views 。试图可用来构建应用程序。涵盖了网格 (grids 、列表(lists 、按钮(button

44、s 、文本框(text boxes甚至是可嵌 入式的 web 浏览器。内容提供器(Content Providers 。它使应用程序能够访问或者共享其他 应用程序的数据。资源管理器 (Resource Manager 。 它能访问非代码资源, 如本地字符串、 图形和布局文件(layout files等。通知管理器(Notification Manager。它让应用程序可以在状态栏中显示 自定义的提示信息。活动管理器(Activity Manager 。它用来管理应用程序生命周期并提供 常用的导航回退功能。3 程序库Android 有 C/C+库,这些库可以被调用。它们为开发者提供了服务。其 中

45、核心库如下:系统 C 库一个从伯克利软件套件 (BSD Berkeley Software Distribution, 是 Unix 的衍生系统继承而来的标准 C 系统函数库(libc ,专门为基于嵌 入式(embedded Linux 的设备定制。媒体库基于 Packet Video Open CORE;该库能够支持多种常用音频、 视频格式, 而且支持静态图像文件。 编码格式有多种, 包括 MPEG4, H.264, MP3, AAC, AMR, JPG, PNG。15Surface Manager 用来管理和显示子系统,同时提供 2D 和 3D 图层的 无缝融合。LibWebCore 一个

46、 web 浏览器引擎,支持 Android 浏览器和可嵌入史 web 视图。SGL 底层 2D 图形引擎。3D libraries基于 OpenGL ES 1.0 APIs实现; 3D 硬件加速或高度优化 的 3D 软加速都基于它。FreeType 用于显示位图(bitmap 和矢量(vector 字体。SQLite 一个轻型关系型数据库引擎。4 Android 运行库Android 拥有一个核心库,而多数的程序都运行在自己的进程里,各自拥 有一个 Dalvik 虚拟机。 Dalvik 的存在使多线程运行成为可能。Android 的核心系统服务依赖于 Linux 内核,而 Linux 内核作为

47、硬件和软 件栈间的抽象层存在。3.2.3搭建安卓开发平台 Eclipse为了开发安卓软件以显示接收数据的坐标信息, 本节内容介绍如何安装 Eclipse 安卓开发平台以及如何在电脑端设置开发环境。Eclipse 是一个基于 Java 的开放可扩展开发平台。软件本身只是框架和服 务, 但通过插件和组件可以构建开发环境。 Eclipse 附带了一个标准的插件集, 包括 Java 开发工具(Java Development Kit, JDK 。安装过程如下:1 安装 Java 运行环境 JRE 和 JDK ;2 安装 Eclipse IDE for Java EE Developers;3 安装 Android ADT(eclipse 插件,如图:16 图 3-2 eclipse软件截图4 配置 Android 模拟器。由于 Eclipse 可选用的安卓模拟器较多,实验中 选用 Genymotion