CN106100735A - 一种远距离可见光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种远距离可见光通信系统，包括上位机、电平转换电路、单片机、光发射机以及光接收机。首先，用户在上位机输入要发送的信息并通过电平转换电路和单片机通信，单片机把信息输入到编码电路进行编码，然后通过驱动电路加载在LED上，把电信号转换成光信号，并通过发射端透镜发出；光接收机通过接收端透镜汇聚光信号，光束通过滤光片滤除背景光噪声，光电探测器探测光信号，把光信号转换成电信号，前端的低噪声放大器对接收到的光信号进行低噪声放大，电信号通过求和电路、滤波电路后进入到后续解码电路，解码电路恢复出发送的信息并传输到单片机，最后在上位机显示出来，解决现有技术通信速率低、差错率高、自动化程度低的问题。

Description

一种远距离可见光通信系统
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，特别是一种远距离可见光通信系统。
背景技术
现有可见光通信系统操作简单、实用性强、不易受电磁干扰、安全保密性高，其缺点在于通信速率低、差错率高。目前灯光通信的传输速率小于1bit/s，还需要持续使用人工ARQ方式进行纠错反馈，自动化程度低，通信人员接受专业培训，培训时间长，所需技能要求较高。
发明内容
本发明提供一种远距离可见光通信系统，解决现有技术通信速率低、差错率高、自动化程度低的问题。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种远距离可见光通信系统，包括上位机、电平转换电路、单片机、光发射机以及光接收机；
所述上位机通过电平转换电路和单片机连接；所述单片机输出端与光发射机的输入端相连；所述单片机输入端与光发射机的输出端相连；所述光发射机与光接收机光路连接；
所述光发射机包括编码电路、驱动电路、LED以及发射端透镜；所述编码电路输入端与单片机输出端相连；所述编码电路输出端与驱动电路输入端相连；所述驱动电路输出端与LED输入端相连；所述LED发出的光经发射端透镜后传输至光接收机；
所述光接收机包括接收端透镜、滤光片、光电探测器、低噪声放大器、求和电路、滤波电路以及解码电路；所述接收端透镜接收发射端透镜的光信号后，光信号经滤波片输入至光电探测器中；所述光电探测器输出端与低噪声放大器输入端相连；所述低噪声放大器输出端与求和电路输入端相连；所述求和电路输出端与滤波电路输入端相连；所述滤波电路输出端与解码电路输入端相连；所述解码电路输出端与单片机输入端相连。
进一步地，所述LED为单芯片RGB三色LED，每种颜色数量为9个或9个以上。
进一步地，所述接收端透镜为三个或三个以上大面积菲涅尔透镜组成。
进一步地，所述驱动电路的集射极最大电压为60V，集电极最大电流为7A。
进一步地，所述电平转换电路为MAX232芯片。
进一步地，所述光电探测器为光电二极管，其有效面积为25mm2以上。
与现有技术相比，具有如下特点：
本发明设置光发射机和光接收机，在光发射机设置编码电路，在光接收机设置光电探测器、低噪声放大器、求和电路、滤波电路、解码电路等，实现自动化发送，具有通信速率高、差错率低、安全性高、可靠性好的特点。
附图说明
图1为本发明结构原理框图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于这些实施例。
一种远距离可见光通信系统，包括上位机、电平转换电路、单片机、光发射机以及光接收机；所述上位机通过电平转换电路和单片机连接；所述单片机输出端与光发射机的输入端相连；所述单片机输入端与光发射机的输出端相连；所述光发射机与光接收机光路连接；所述光发射机包括编码电路、驱动电路、LED以及发射端透镜；所述编码电路输入端与单片机输出端相连；所述编码电路输出端与驱动电路输入端相连；所述驱动电路输出端与LED输入端相连；所述LED发出的光经发射端透镜后传输至光接收机；所述光接收机包括接收端透镜、滤光片、光电探测器、低噪声放大器、求和电路、滤波电路以及解码电路；所述接收端透镜接收发射端透镜的光信号后，光信号经滤波片输入至光电探测器中；所述光电探测器输出端与低噪声放大器输入端相连；所述低噪声放大器输出端与求和电路输入端相连；所述求和电路输出端与滤波电路输入端相连；所述滤波电路输出端与解码电路输入端相连；所述解码电路输出端与单片机输入端相连。
上位机是安装在计算机上的一个人机交互界面，供用户在上位机输入要发送的信息或显示接收到的信息。用户在上位机输入要发送的信息，上位机通过串口输出RS-232电平信号，通过电平转换电路把RS-232电平转换成TTL电平。TTL信号经过单片机增加校验信息。单片机输出信号经过红外编码的编码电路传给驱动电路。编码格式为红外通信中使用的编码格式，还可以为莫尔斯编码、OOK编码等。驱动电路接收到红外编码信号后，把电压信号转变为流过LED的电流信号，发出可见光。
电平转换电路用于将计算机串口RS-232电平与单片机TTL电平进行转换，电平转换电路采用MAX232芯片实现。
光发射机上的编码电路以及光接收机上的解码电路均采用已有的红外通编码芯片实现。该芯片是一款符合IrDA标准的红外编解码芯片。从单片机发送的信息经过编码后，以特定码型电信号的方式发送到驱动电路。光接收机则把光信号中的信息转换为特定码型电信号的方式输出。经过芯片解码的电信号，被发送到单片机。
具体编码过程如下，每一位比特被编码为16位。如果发送比特为“0”即低电平，那么就被编码为7位“0”、接着3位“1”和最后6位“0”。如果发送比特为“1”即高电平,那么就被编码为16位“0”。相对应的解码时，每16位解码出一位接收比特。如果要接收的比特为“0”，那么解码为3位“0”，其余13位“1”。如果要接收的比特为“1”，那么解码为16位"1”。
通信系统所使用的LED为RGB三色LED，三色LED比单色LED在通信信道中抗端流上具有更好的性能，使用三色LED通信可以减弱信道中端对信号的影响，提高信噪比，增加高速通信的可靠性。另外，三色LED采用单芯片封装LED，可以在一定电功率情况下，能输出更大的光功率即信号功率，从而提高发送信号的功率，增加通信可靠性。由于单芯片LED比多芯片LED的电光转换效率更高，在一定电功率情况下，能输出更大的光功率即信号功率。为了达到发送光功率大小，每种颜色数量为9个或9个以上。
驱动电路为双极型晶体管。当使用脉冲电流驱动时，双极型晶体管集电极和发射极之间的电压变化巨大。当有高脉冲时，流过LED电流增大，双极型晶体管集射极分压减小；反之，双极型晶体管集射极分压增大。同样地，当有脉冲信号驱动时，流过双极型晶体管的电流将是两串LED的总和。综合考虑双极型晶体管分压和流过的电流，双极型晶体管集射极之间的最大电压和集射极之间的最大电流，采用的驱动电路集射极最大电压为60V，集电极最大电流为7A。
光发射机的LED配有一组发射端透镜。发射端透镜减少了由于LED半功率角大引起的损耗，使通信光能量更集中，使通信更具指向性。
光接收机对各个光电二极管的光电流进行放大，光电流经过低噪声放大器后被放大为电压信号，求和电路将三路电信号求和，合并为一路电压信号，滤波电路对信号进行低通滤波，滤除电域噪声，提高电路的信噪比，解码电路恢复出发送的信号，单片机进行纠错和去冗余后，通过串口发送至上位机进行显示。
光接收机采用三个或三个以上大面积菲涅尔透镜作为接收端透镜接收光信号。大面积的接收透镜可以汇聚更大范围更多能量的光信号。菲涅尔透镜可以同时兼具大面枳、短焦距和质量轻的优良特性。菲涅尔透镜减轻了整体灯头的厚度和重量。
根据太阳光光谱范围宽和信号光光谱范围窄的特点，利用窄带滤光片滤除背景光噪声，提高接收信号信噪比。根据光发射机LED采用的RGB三色LED，光接收机相对应采用RGB三色滤光片。接收端透镜后面安装一个带通滤光片，滤光片的通带和阻带的频谱特性是根据RGB三色LED的发光频谱特性设计的，每个滤光片只能透过一种颜色的信号光，阻止其它频率的光透过。滤光片保证透过光信号，滤除背景光噪声。
光电探测器采用面积较大的光电二极管，能较多的收集光信号，得到较大的光电流。光电二极管的带宽选择相对应带宽，形成低通滤波器滤除髙频背景光信号。使用的PIN光电二极管的有效面积为25mm2以上，较大的有效面积除了能增加接收光功率，还有助于在远距离通信时减小对准的难度。在偏置电压为10V，负载电阻为50Ω时，该光电二极管的带宽为20MHz。本发明的传输速率由单片机设置的波特率和编码芯片的设置有关，比特传输速率为153.6kbit/s，脉冲信号所占带宽在1MHz以下。光电探测器的20MHz带宽形成一个低通滤波器，对高频光信号无法响应，有助于调高信噪比。
对数放大器又称为对数转换器，通过一种非线性运算把信号转换成其等效对数值。对数放大器具有大的动态范围、高灵敏度和较大的放大倍数。对数放大器根据输入输出电信号不同可以分为对数电压放大器、对数电流放大器、对数跨阻放大器和对数跨导放大器。由于本发明低噪声放大器的目的是放大光电流并转换为电压值，因此本发明优选对数跨阻放大器，选择的跨阻对数放大器具有从1pA到10mA的大动态范围和较小的输出噪声幅度。同时，该器件在输入电流为1nA时带宽为输入电流为时带宽为25KHz；输入电流为10nA时带宽为350KHz。
求和电路将各个光电二极管的光电流进行放大转换得到的三路电信号求和合并为一路电压信号。该电路采用反相输入加法电路结构实现，属于多端输入结构。
滤波电路包括一个带通滤波器以及一个低通滤波器。根据光域噪声的特点，太阳光是光域噪声的主要来源，采用一个带通滤光片作为带通滤波器可以滤除光域噪声，低通滤波器采用RC低通滤波器滤除其他电路产生的高频干扰。
本发明的工作过程为：系统以半双工方式工作，两个方向的通信系统结构完全一样。首先，用户在上位机输入要发送的信息，上位机通过电平转换电路和单片机通信，控制单片机对要发送的信息输入到编码电路进行编码，得到的数字信号通过驱动电路加载在LED上，LED把电信号转换成光信号，光束通过光发射机的发射端透镜后，发散角变小并且输出；光接收机通过接收端透镜汇聚光信号，同时也汇聚了背景光，光束通过滤光片滤除背景光噪声，提高信噪比，光电探测器探测光信号，把光信号转换成电信号，前端的低噪声放大器对接收到的光信号进行低噪声放大，电信号通过求和电路以及滤波电路后进入解码电路，解码电路恢复出发送的信息并传输到单片机，最后在上位机上显示出来，完成通信。

Claims (6)

1.一种远距离可见光通信系统，其特征在于：
包括上位机、电平转换电路、单片机、光发射机以及光接收机；
所述上位机通过电平转换电路和单片机连接；所述单片机输出端与光发射机的输入端相连；所述单片机输入端与光发射机的输出端相连；所述光发射机与光接收机光路连接；
所述光发射机包括编码电路、驱动电路、LED以及发射端透镜；所述编码电路输入端与单片机输出端相连；所述编码电路输出端与驱动电路输入端相连；所述驱动电路输出端与LED输入端相连；所述LED发出的光经发射端透镜后传输至光接收机；
所述光接收机包括接收端透镜、滤光片、光电探测器、低噪声放大器、求和电路、滤波电路以及解码电路；所述接收端透镜接收发射端透镜的光信号后，光信号经滤波片输入至光电探测器中；所述光电探测器输出端与低噪声放大器输入端相连；所述低噪声放大器输出端与求和电路输入端相连；所述求和电路输出端与滤波电路输入端相连；所述滤波电路输出端与解码电路输入端相连；所述解码电路输出端与单片机输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于：所述LED为单芯片RGB三色LED，每种颜色数量为9个或9个以上。
3.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于：所述接收端透镜为三个或三个以上大面积菲涅尔透镜组成。
4.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于：所述驱动电路的集射极最大电压为60V，集电极最大电流为7A。
5.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于：所述电平转换电路为MAX232芯片。
6.根据权利要求1所述的一种远距离可见光通信系统，其特征在于：所述光电探测器为光电二极管，其有效面积为25mm2以上。
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