陈昊 潘欣裕 赵浩剀 李凤

摘 要：当今时代，虽然无线通信技术迅速发展，但可用于通信传输的无线电频带宽度非常有限。同时，在诸多场合下，为了避免电磁辐射对人体造成危害，电磁波的发射功率会受到限制。而LED可见光具有带宽覆盖广、绿色环保、节能、使用寿命长等特点，这些特点能很好地解决当前无线电存在的问题，为此文中设计了一个LED可见光通信系统。该系统基于主控芯片STM32F407ZET6，利用LED发出肉眼感觉不到的闪烁信号进行数字信号的基带传输，实现对音乐信号的采集、传输、接收和播放等功能，能够同时满足照明与通信的需求。经实验证明，LED可见光通信系统实现了音乐信号的传输，具有误码率低，传输效果显著等特点，对通信技术的发展具有重要意义。

关键词：LED;可见光通信;STM32F407ZET6;闪烁信号;基带传输;音乐信号

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）10-00-04

0 引 言

LED可见光通信系统利用LED发出肉眼感觉不到的明暗闪烁的光信号，通过无线方式传输数据[1]。人们在利用LED作为照明光源的同时，通过控制芯片将信号调制到LED上进行数据传输，这种可见光通信技术已成为研究热点[2-3]。

作为最早提出可见光通信技术理念并展开研究的国家，日本在可见光技术的研究领域处于领先地位[4]。2003年，Komine对室内可见光通信进行了模拟实验，进行了室内LED灯的多次布局与信号测试[5]。2006年，Sugiyamaga改进了脉冲调制技术，提出了SCI-PPM调制方法[6]。2009年，Komine等研究团队为了解决可见光通信系统的符号间干扰问题，提出了自适应均衡器[7]。

就目前对于可见光发展的现况而言，日本起步较早，技术发展相对成熟，同时美国与欧盟等国家也取得了较多成果，使得可见光通信技术获得更多新的突破[8]。我国对LED可见光通信的研究起步较晚，但在近几年也获得了突飞猛进的发展。2013年，复旦大学的迟楠教授和其研究小组将可见光通信技术的光传输离线速率提高到了3.7 Gb/s，实时速率达到150 Mb/s [9]。

当前，光通信技术的发展呈快速增长趋势，人们对光通信技术给予了更多关注[10]。LED可见光通信技术适用于医疗、军事、航空、交通等领域[11]。由此可见，这项技术在未来拥有巨大的发展潜力与广阔的前景[12]。

本文设计了一种用于室内短距离的可见光通信系统，通过光发射器与光接收器之间单向无线传输的光通信方式，在实现照明的基础上，利用STM32F407ZET6作为控制芯片，实现室内LED单向通信。

1 LED可见光通信硬件系统

1.1 系统整体架构

LED可見光通信系统传输音乐信号设计模块：实时高速采集音乐信号并将模拟信号数字化，模数转换后的数字信号采用串口通信协议，通过串口发送端驱动LED灯发送信号，采用高速光电接收二极管接收光信号。LED可见光通信发射板硬件实物如图1所示，LED可见光通信接收板硬件实物如图2所示。

1.2 硬件系统各主要模块

1.2.1 音乐信号采集模块

音乐信号的高保真采样速率为44.1 kHz，为了满足高速率无失真将音乐模拟信号转化为数字信号，此模块采用核心处理器STM32F407ZET6，相比于STM32F1系列具有更快的模数转换速度，更低的ADC/DAC工作电压，最高运行频率可达168 MHz，而STM32F1只有72 MHz;STM32F407ZET6拥有两个DMA控制器，可同时实现DMA采集与数据发送，极大地提高了CPU的效率。

STM32F407ZET6的ADC芯片只能采集0～3.3 V的信号，而音乐信号是正负电平信号，所以在ADC采集信号前，需要添加电压偏置电路，将正负信号偏置到0～3.3 V范围内。通过如图3所示的电压偏置电路，可将正负音乐信号偏置为ADC能采集的0～3.3 V正电压信号。

1.2.2 LED驱动模块

音乐信号经过模数转换得到数字信号后，需要驱动LED灯通过光的形式将信号发送出去。然而单片机的驱动能力有限，为了增强LED灯光照强度，此系统串口发送端加了一级三极管驱动模块。LED驱动模块如图4所示，STM32F407ZET6单片机串口发送端发送数据1时为3.3 V，此时LED1灯亮;发送数据0时为0 V，此时LED1灯灭。

1.2.3 光电二极管接收模块

本文系统采用硅光电池光电二极管接收光发送的信号，光电二极管接收模块如图5所示，D1是光电二极管接收光信号端。

此模块有3级电路，第1级电路是IV转换电路。光电二极管采集到的小电流信号经过由AD825芯片组成的IV转换信号电路将电流信号转换为电压信号。

第2级电路是信号放大电路。电压信号从14端口输出，经过LF353运放搭建的小信号放大电路，将电压信号放大，放大倍数为R7/R10，通过调节R7滑动变阻器可调节放大倍数，最大放大倍数为100。

第3级电路是电压偏置电路。该电路通过减法器给交流信号叠加直流信号，从而调节输出电压。其操作方法是调节R1滑动变阻器，改变运放LM353负端口的电压值，实现输出电压偏置。

1.2.4 电压判决模块

由于LED可见光传输的介质是空气，那么必然会存在背景光的干扰。同时电路中运放存在结电容，光电二极管接收后的方波信号会变形失真。所以本文系统设计了一个电压判决模块，将接收到的信号整形成与发送信号一致的方波信号，电路如图6所示。通过调节滑动变阻器R5可调节判决电压的大小，假设判决电压为Vp，光电二极管接收后的信号接入输入端IN口，若输入电压Vo>Vp，则电路OUT输出端输出高电平3.3 V;若Vo

1.2.5 信号输出模块

通过电压判决整形后的信号接入STM32F407ZET6单片机的串口接收端，接收发送端发送的数据。对数据进行处理后，通过数模转换DAC输出音乐信号，音乐信号去除直流信号后，接入音响或喇叭播放音乐。串口发送接收的数据是8位数据，ADC是12位模数转换器，所以发送板主控芯片将采集到的数据右移4位，然后发送。DAC是12位数模转换器，所以接收板主控芯片将串口接收到的数据左移4位，然后经DAC输出。忽略信号后4位数据对信号传输效果影响不大，却提高了通信速率。

2 LED可见光通信软件系统

2.1 LED发送系统

LED可见光通信软件系统采用C语言进行编写，通过STM32F407ZET6单片机进行控制与数据处理。软件系统发送流程如图7所示。

系统运行后，首先初始化定时器、ADC、串口、DMA，然后等待定时器中断。ADC采用硬件触发，定时器中断1次，ADC采集1次数据，所以定时器中断触发频率便是ADC采样频率。ADC采集1次，触发1次DMA请求，DMA将ADC采集的数据传输到内存中，DMA传输能提高CPU的处理效率，同样也能提高ADC的采集速率。数据传输到内存，等待定时器中断，处理后的数据通过串口发送。

2.2 LED接收系统

LED接收系统同样采用STM32F407ZET6单片机进行控制与数据处理，系统接收流程如图8所示。

系统运行后，初始化定时器，串口，DMA，DAC，串口实时接收数据。接收到数据后，主控芯片对数据进行处理并申请DMA请求，将数据传输至DAC输出。发送模块与接收模块的定时器中断触发速率设置相同，实现发送模块ADC采集速率与接收模块DAC输出速率相同。

3 系统测试

本文测试通过示波器测试LED发送信号的波形与光电二极管接收后的波形进行比较，以测试LED可见光通信的效果。

未整形方波信号如图9所示，图中下方波形是STM32F407ZET6单片机输出的占空比为50%的方波，频率为10 kHz，上方波形是光电二极管接收模块接收后的波形。从图中可以看出，由于结电容等的干扰，接收信号出现失真。

整形后方波信号如图10所示，图中上方波形还是STM32F407ZET6单片机输出的方波，下方波形是光电二极管接收模块接收到信号后经过电压判决模块得出的波形，接收信号通过电压判决整形后，输出的是和发送端相同的方波信号。

占空比为10%的方波如图11所示，图中下方波形是STM32F407ZET6单片机调节占空比后发送的波形，上方波形是电压判决后输出的波形。从图中可以看出，发送的波形与接收处理后的波形完全一致。

通過手机播放音乐信号，由音乐信号采集模块采集音乐信号，然后通过串口发送数据。音乐信号串口传输如图12所示，图中下方波形是串口发送的音乐编码信号，上方波形是电压判决后接收到的音乐编码信号。从图中可以看出，串口接收到的信号与发送信号一致，能正确接收LED灯传输的光信号。

4 结 语

本文介绍了一种基于STM32F407ZET6的LED可见光通信系统，该系统支持实时采集、传输、播放等功能，能将需要传输的信号通过LED可见光的形式传输，具有高速数据传输、节能环保及不受频谱限制等优势。但是该系统的高速传输与低误码率需要高闪烁频率和低发散的LED灯的支持，而高性能的LED灯价格高昂，不利于普及，所以研发出合适的LED灯是当前的一大挑战。实现照明与通信双重作用的LED可见光通信系统能为以后的宽带接入提供一种全新方式，适用于医疗医学、航空航天、人工智能、交通系统等领域，拥有广阔的应用前景。

参 考 文 献

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