CN108536625A - 一种基于usb2.0接口的可见光通信传输装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置及方法，包括发射端和接收端。发射端包括USB2.0接口电路单元一、FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元、红外接收单元；接收端包括USB2.0接口电路单元二、FPGA信号处理模块二、信号转换单元二、PIN光探测单元、红外发射单元。发送端与接收端通信的上行链路采用红外通信，下行链路采用可见光通信。USB总线数据信号进入发射端后，经信号转换单元一变换后直接输入LED光发射单元来发送可见光通信信号；接收端的PIN光探测单元接收到可见光信号后，经信号转换单元二转换为USB数据信号。可见光通信信道直接传输NRZI编码的USB格式的信号，避免了对USB差分信号进行缓存、调制、编码、解码等过程，提高传输速率。

Description

一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置及方法
技术领域
本发明涉及可见光通信技术，尤其是一种基于USB 2.0接口的可见光通信传输装置及方法。
背景技术
可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。在物联网、智慧城市(家庭)、航空、航海、地铁、高铁、室内导航和井下作业等领域带来创新应用和价值体验。
通用串行总线(英语：Universal Serial Bus，缩写：USB)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品。基于USB接口的可见光通信传输装置可以让具有USB接口的电子产品非常容易的互联互通，是推动可见光通信技术实用的关键，具有重要的应用前景。
目前存在一些将可见光通信技术与USB接口相结合的数据传输装置，如专利(申请号：201610382378.1)提出了一种基于可见光通信技术的USB接口通信手持收发设备，该设备将USB差分信号进行读取，然后经过信号格式转换模块转换为标准串口格式信号，串口格式信号在数字信号处理模块进行基带曼彻斯特编码，然后将转换后的曼彻斯特信号通过可见光发射LED模块发射端的商用白光LED进行调制传输，实现电光转换，可将光接收模块对信号进行光电转换与接收，恢复出曼彻斯特编码后的信号，利用数字信号处理模块完成接收信号的曼彻斯特解码与算法处理，恢复出串口格式信号，再转换为标准USB信号。这种传输方式由于需要对信号进行转换、缓存、编码、解码，传输速率只能达到115200baud/s，无法充分发挥USB接口以及可见光通信可高速传输数据的优势，并且该专利的上行链路与下行链路均采用可见光通信的方式传输数据，易造成互相干扰的情况。从上述专利可以看出目前基于USB接口的可见光通信传输装置的方案主要是先将USB主设备的要发送数据的数据通过USB接口缓存到可见光通信装置的发送端，然后编码再发送出去，可见光通信的接收端接收到数据后先缓存，解码然再通过USB接口存到USB从设备，数据在转换的过程中降低了数据的传输的速率。
由于在USB总线上，通过D+和D-两个数据信号线来传输差分信号，传输的编码采用的是NRZI格式，通过高低电平变化来传输数据，电平翻转代表逻辑0，电平不变代表1。因此本发明提出利用USB总线的D+和D-数据信号经变换后直接调制可见光通信的LED光发射单元来发送可见光通信信号，可见光通信的光探测单元接收到可见光通信信号后，直接转换为USB总线的D+和D-数据信号，实现一种基于USB2.0接口的高速可见光通信的传输装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对当前基于USB2.0接口的可见光通信传输装置存在需要进行信号转换、数据缓存、编码、解码等过程，导致通信速率较低的问题，提出了一种基于USB2.0接口的可见光通信的高速传输装置和方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，包括发端和接收端：
所述发送端包括USB2.0接口电路单元一、FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元和红外接收单元。
所述USB2.0接口电路单元一与FPGA信号处理模块一连接，用于发送端通过USB2.0接口收发来自外部的数据。
所述FPGA信号处理模块一与红外接收单元连接，用于上行链路的红外通信信号的接收。
所述FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元依次连接，用于下行链路的可见光通信信号的发送。
所述接收端包括USB2.0接口电路单元二、FPGA信号处理模块二、信号转换单元二、PIN光探测单元和红外发射单元。
所述USB2.0接口电路单元二与FPGA信号处理模块二连接，用于接收端通过USB2.0接口收发来自外部的数据。
所述FPGA信号处理模块二与红外发射单元连接，用于上行链路的红外通信信号发出。
所述PIN光探测单元、信号转换单元二、FPGA信号处理模块二、USB2.0接口电路单元二依次连接，用于下行链路的可见光通信信号接收。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：
FPGA信号处理模块一通过OUT1+和OUT1-两条数据线与信号转换单元一连接，所述FPGA信号处理模块二通过OUT2+和OUT2-两条数据线与信号转换单元二连接。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置,其特征在于：所述FPGA信号处理模块一包括数据读取单元A、译码单元A、与门选通单元A、高电平信号发生器A、USB电平信号发生器一、USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五和USB电平信号发生器六。
所述数据读取单元A与译码单元A连接，读取来自USB2.0接口电路单元一的D+、D-信号以及红外接收单元的信号，输入译码单元A。所述译码单元A的译码输出分别与高电平信号发生器A、USB电平信号发生器一、USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五、USB电平信号发生器六连接。USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五、USB电平信号发生器六与数据总线连接。高电平信号发生器A的输出作为选通信号，输入与门选通单元A。自USB2.0接口电路单元一的D+、D-信号输入与门选通单元A，与门选通单元A的输出与信号转换单元一的输入连接。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述FPGA信号处理模块二包括数据读取单元B、译码单元B、与门选通单元B、高电平信号发生器B、电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五、电平序列发生器六和逻辑输出单元。
所述数据读取单元B与译码单元B连接，读取来自USB2.0接口电路单元二的D+、D-信号以及信号转换单元二输入的OUT2+、OUT2-信号，输入译码单元B。所述译码单元B的译码输出分别与高电平信号发生器B、电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五和电平序列发生器六连接。电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五、电平序列发生器六与逻辑输出单元连接，高电平信号发生器B的输出作为选通信号，输入与门选通单元B。自信号转换单元二输出的OUT2+、OUT2-信号输入与门选通单元B,与门选通单元B的输出与USB2.0接口电路单元二连接。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述信号转换单元一包括放大器AD8130、电阻R1-R4和电容C1-C5。差分输入的一端经过电阻R2接地、电容R2输入放大器AD8130的同相输入端；差分输入的另一端经过电阻R1接地、电容C1输入放大器AD8130的反相输入端。所述放大器AD8130的输出端经过电阻R3和电阻R4与放大器AD8130的FB端组成了负反馈电路。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述信号转换单元二包括放大器AD8138、电阻R1-R8和电容C1-C5。单端输入经过电阻R1接地、电容C1、电阻R2输入运算放大器AD8138的反相输入端。所述放大器AD8138的反相输出端经过电阻R5与放大器AD8138的反相输入端组成负反馈电路。所述放大器AD8138的正相输出端经过电阻R6与放大器的正相输入端组成负反馈电路。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述LED光发射单元包括放大电路与驱动电路，所述放大电路由放大器AD8066、电阻R1、电阻R2组成，所述放大驱动电路由MOS管2N7001、电阻R3、电阻R4、商用LED灯组成。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述PIN光探测单元包括放大电路与比较电路，所述放大电路由光探测器PC10-6、放大器AD826、电阻R5、电阻R6、电阻R7组成，所述比较电路由比较器LM393与滑动变阻器R8组成。
一种基于USB2.0接口的可见光通信传输方法，其特征在于：发送端与接收端进行高速的数据传输上下链路采用两种不同的通信技术，其中上行链路采用低速的红外通信实现握手协议和反馈，下行链路采用高速的可见光通信实现高速数据传输。
所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输方法，其特征在于：具体包括以下步骤:
1.发送端与USB主设备连接，接收端与USB从设备连接，构成USB主设备向USB从设备高速传输数据场景，有数据接收需求的USB从设备的USB接口输出电平序列数据包。
2.与USB从设备相连的接收端的FPGA信号处理模块二中的数据读取单元B通过USB2.0接口电路单元二从设备中读取电平序列数据包，然后输入译码单元B，译码单元B根据电平序列包的不同类型进行相应的操作如下：
2.1当输入的电平序列类型为SET UP包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器一。电平序列发生器一是产生一个电平序列为1000001的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.2当输入的电平序列类型为IN令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器二。电平序列发生器二是产生一个电平序列为1000010的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.3当输入的电平序列类型为OUT令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器三。电平序列发生器三是产生一个电平序列为1000011的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.4当输入的电平序列类型为包含设备请求符DATA0包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器四。电平序列发生器四是产生一个电平序列为1000100的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.5当输入的电平序列类型为0字节DATA1包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器五。电平序列发生器五是产生一个电平序列为1000101的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.6当输入的电平序列类型为ACK握手包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器六。电平序列发生器六是产生一个电平序列为1000110的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
2.7当输入的电平序列类型为连续的包含设备请求符DATA0包和ACK握手包所对应电平序列，或连续的包含0字节的DATA1包和ACK握手包所对应电平序列，或其他不属于输出功能二至七所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发高电平信号发生器B。高电平发生器B产生一个持续的高电平，选通与门选通单元B。
3.发送端的红外接收单元接收到来接收端的红外信号，输出至FPGA信号处理模块一。
4.FPGA信号处理模块一中的数据读取单元A读取从红外接收单元输入的指令信号，并输入译码单元A。
5.译码单元A对指令信号进行译码操作：
5.1当检测出指令信号的电平序列为1000001时，译码单元A触发USB电平信号发生器一。USB电平信号发生器一为输出SET UP令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.2当检测出指令信号的电平序列为1000010时，译码单元A触发USB电平信号发生器二。USB电平信号发生器二为输出IN令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.3当检测出指令信号的电平序列为1000011时，译码单元A触发USB电平信号发生器三。USB电平信号发生器三为输出OUT令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.4当检测出指令信号的电平序列为1000100时，译码单元A触发USB电平信号发生器四。USB电平信号发生器四为输出包含设备请求符的DATA0包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.5当检测出指令信号的电平序列为1000101时，译码单元A触发USB电平信号发生器五。USB电平信号发生器五为输出0字节DATA1包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.6当检测出指令信号的电平序列为1000110时，译码单元A触发USB电平信号发生器六。USB电平信号发生器六为输出ACK握手包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
5.7当检测出的信号不满足上述指令信号的电平序列时，译码单元A触发高电平发生器A。高电平发生器A为产生一个持续的高电平，选通与门选通单元A。
6.选通与门选通单元A后，来自USB主设备的USB信号，直接输入信号转换单元一。
7.信号转换单元一对输入的OUT1+、OUT1-信号进行差分转单端、放大处理，转化为电压幅值2.3V的电平信号输出至LED光发射单元，LED光发射单元将电信号转换为可见光通信信号发送出去。
8.PIN光探测单元将接收到的可见光通信信号转换为电信号后，输入信号转换单元二。
9.信号转换单元二对接收的电平信号进行反相放大、单端转差分处理，并将转换后的差分信号通过OUT2+、OUT2-传输至FPGA信号处理模块二。
10.FPGA信号处理模块二中的与门选通模块B被选通后，信号转换单元二输出的差分信号直接通过USB2.0接口电路单元二进入USB从设备。
本发明所具有的优点：
1.高效、通信速率高。本发明提出利用USB总线的D+和D-数据信号经变换后直接调制可见光通信的LED光来发送可见光通信信号，可见光通信的光探测单元接收到可见光通信信号后，直接转换为USB总线的D+和D-数据信号。可见光通信信道直接传输的是NRZI编码的USB格式的信号，避免了FPGA模块对差分信号的进行采集、缓存、调制、编码、解码等过程，提高了传输速率；
2.干扰小，高可靠性。本发明在上行指令链路与下行数据传输链路中分别采用红外传输和可见光传输的方式，避免了两条链路都采用可见光传输信号时存在链路间相互干扰的问题。
附图说明
图1为本发明基于USB2.0接口的可见光通信传输装置的结构示意图。
图2为本发明中FPGA信号处理模块一中的部分电路结构示意图。
图3为本发明中FPGA信号处理模块二中的部分电路结构示意图。
图4为本发明中信号转换单元一的电路结构图。
图5为本发明中信号转换单元二的电路结构图。
图6为本发明中LED光发射单元的电路结构图。
图7为本发明中PIN光探测单元的电路结构图。
图8为本发明场景实施图。
具体实施方式
下面结合附图和场景实施图，对本发明的具体实施方式进一步详细阐述。以下实施案例，仅用来说明本发明的某一个应用方向，不用来限制本发明的范围。
本发明提出一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，如图1所示，包括发射端和接收端。发送端包括USB2.0接口电路单元一、FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元和红外接收单元；接收端包括包括USB2.0接口电路单元一、PIN光探测单元、信号转换单元二、FPGA信号处理模块二和红外发射单元。
如图2所示，所述FPGA信号处理模块一包括数据读取单元A、译码单元A、与门选通单元A、高电平信号发生器A、USB电平信号发生器一、USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五和USB电平信号发生器六。
如图3所示，所述FPGA信号处理模块二的电路结构包括数据读取单元B、译码单元B、与门选通单元B、高电平信号发生器B、电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五、电平序列发生器六和逻辑输出单元。
如图4所示，所述信号转换单元一包括放大器AD8130、电阻R1-R4和电容C1-C5。差分输入的一端经过电阻R2接地、电容R2输入放大器AD8130的同相输入端；差分输入的另一端经过电阻R1接地、电容C1输入放大器AD8130的反相输入端。所述放大器AD8130的输出端经过电阻R3和电阻R4与放大器AD8130的FB端组成了负反馈电路。
如图5所示，所述信号转换单元二包括放大器AD8138、电阻R1-R8和电容C1-C5。单端输入经过电阻R1接地、电容C1、电阻R2输入运算放大器AD8138的反相输入端。所述放大器AD8138的反相输出端经过电阻R5与放大器AD8138的反相输入端组成负反馈电路。所述放大器AD8138的正相输出端经过电阻R6与放大器的正相输入端组成负反馈电路。
如图6所示，LED光发射单元包括放大电路与驱动电路，所述放大电路由放大器AD8066、电阻R1、电阻R2组成，所述放大驱动电路由MOS管2N7001、电阻R3、电阻R4、商用LED灯组成。
如图7所示，PIN光探测单元包括放大电路与比较电路，所述放大电路由光探测器PC10-6、放大器AD826、电阻R5、电阻R6、电阻R7组成，所述比较电路由比较器LM393与滑动变阻器R8组成。
主机端始终与发送端相连，主机端即USB主设备；当存在设备端与接收端相连时，设备端即USB从设备，首先需要在设备端与主机端之间实现基于USB2.0协议的连接，然后才能实现高速的数据传输，即轮询-枚举过程-数据传输过程。
当接收端连入设备端时，设备端通过轮询的方式检测到有设备连入，此时进入枚举过程，而在枚举过程与数据传输过程中，接收端通过USB2.0接口电路单元二从设备端接收的包含电平序列数据包类型有六种SET UP令牌包、IN令牌包、OUT令牌包、包含设备请求符的DATA0数据包、0字节数据的DATA1数据包、ACK握手包，USB2.0接口电路单元二将相应的数据包输出至FPGA信号处理模块二。并进行相应操作：
当输入的电平序列类型为SET UP包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器一。电平序列发生器一是产生一个电平序列为1000001的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
当输入的电平序列类型为IN令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器二。电平序列发生器二是产生一个电平序列为1000010的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
当输入的电平序列类型为OUT令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器三。电平序列发生器三是产生一个电平序列为1000011的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
当输入的电平序列类型为包含设备请求符DATA0包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器四。电平序列发生器四是产生一个电平序列为1000100的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
当输入的电平序列类型为0字节DATA1包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器五。电平序列发生器五是产生一个电平序列为1000101的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
当输入的电平序列类型为ACK握手包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器六。电平序列发生器六是产生一个电平序列为1000110的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去。
再此我们自定义了6种类型的USB数据包与6种类型二进制红外指令电平序列相对应，接收端通过对红外指令电平序列信号的发送，实现相应信号的传输，降低了信号传输中的复杂度，提高了传输速率。
发送端的红外接收单元接收来自接收端红外发射单元发射的红外信号，并将红外光信号转换为电信号，再经过解调转换为电平序列信号输出至FPGA信号处理模块一，FPGA信号处理模块一读取电平序列信号后，进行如下处理：
当检测出指令信号的电平序列为1000001时，译码单元A触发USB电平信号发生器一。USB电平信号发生器一为输出SET UP令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
当检测出指令信号的电平序列为1000010时，译码单元A触发USB电平信号发生器二。USB电平信号发生器二为输出IN令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
当检测出指令信号的电平序列为1000011时，译码单元A触发USB电平信号发生器三。USB电平信号发生器三为输出OUT令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
当检测出指令信号的电平序列为1000100时，译码单元A触发USB电平信号发生器四。USB电平信号发生器四为输出包含设备请求符的DATA0包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
当检测出指令信号的电平序列为1000101时，译码单元A触发USB电平信号发生器五。USB电平信号发生器五为输出0字节DATA1包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
当检测出指令信号的电平序列为1000110时，译码单元A触发USB电平信号发生器六。USB电平信号发生器六为输出ACK握手包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一。
USB2.0接口电路单元一将接收的USB电平数据包通过USB接口输出至主机端，这就是基于红外通信的上行链路。
主机端通过对信号处理后，通过USB接口反馈相对应的USB数据包至发送端，发送端的USB2.0接口电路单元一将从主机端接收的数据包输出至FPGA信号处理模块一，FPGA信号处理模块一对信号进行读取，此时译码单元A触发高电平发生器A。高电平发生器A为产生一个持续的高电平，选通与门选通单元A。
选通与门选通单元A后，来自主机端的USB数据包，以USB差分信号的形式直接输入信号转换单元一，由于当D+-D-≥400mv时表示输出信号1，D--D+≥400mv表示信号输出0。则当信号1输出时，差分放大为2.3V的电平信号，当信号输出0时，差分放大为-2.3V的电平信号。信号转换单元一对输出的差分信号进行差分转单端、放大处理，然后输出至LED光发射单元，LED光发射单元将电信号转换为可见光通信信号发送出去。
PIN光探测单元将接收到的可见光通信信号转换为电信号后，输入信号转换单元二。
信号转换单元二对接收的电平信号进行反相放大、单端转差分处理，即将一般电信号转换为符合USB2.0协议的USB差分信号，并将转换后的差分信号通过OUT2+、OUT2-传输至FPGA信号处理模块二。
译码单元B触发高电平信号发生器B。高电平发生器B产生一个持续的高电平，选通与门选通单元B。与门选通单元B被选通后，信号转换单元二输出的差分信号直接通过USB2.0接口电路单元二进入设备端。这即是基于可见光通信的下行链路。
如图8所示，是一种基于USB2.0接口的可见光通信传输系统场景实施图，本发明主要应用于火车站、体院馆等采用LED照明的大型公共场合，在这些公共场合可设置专门的下载区域，游客们可通过USB接口实现数据的高速下载，并且与当前存在的基于可见光通信技术与USB2.0接口的数据传输装置相比，在数据传输方面略去了将USB差分信号转换为串口信号以及缓存、编码、解码等步骤，提高了数据传输的速率。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，包括发送端和接收端,其特征在于：
所述发送端包括USB2.0接口电路单元一、FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元和红外接收单元；
所述USB2.0接口电路单元一与FPGA信号处理模块一连接，用于发送端通过USB2.0接口收发来自外部的数据；
所述FPGA信号处理模块一与红外接收单元连接，用于上行链路的红外通信信号接收；
所述FPGA信号处理模块一、信号转换单元一、LED光发射单元依次连接，用于下行链路的可见光通信信号的发送；
所述接收端包括USB2.0接口电路单元二、FPGA信号处理模块二、信号转换单元二、PIN光探测单元和红外发射单元；
所述USB2.0接口电路单元二与FPGA信号处理模块二连接，用于接收端通过USB2.0接口收发来自外部的数据；
所述FPGA信号处理模块二与红外发射单元连接，用于上行链路的红外通信信号发出；
所述PIN光探测单元、信号转换单元二、FPGA信号处理模块二、USB2.0接口电路单元二依次连接，用于下行链路的可见光通信信号的接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：
FPGA信号处理模块一通过OUT1+和OUT1-两条数据线与信号转换单元一连接，所述FPGA信号处理模块二通过OUT2+和OUT2-两条数据线与信号转换单元二连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置,其特征在于：所述FPGA信号处理模块一包括数据读取单元A、译码单元A、与门选通单元A、高电平信号发生器A、USB电平信号发生器一、USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五和USB电平信号发生器六；
所述数据读取单元A与译码单元A连接，读取来自USB2.0接口电路单元一的D+、D-信号以及红外接收单元的信号，输入译码单元A。所述译码单元A的译码输出分别与高电平信号发生器A、USB电平信号发生器一、USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五、USB电平信号发生器六连接；USB电平信号发生器二、USB电平信号发生器三、USB电平信号发生器四、USB电平信号发生器五、USB电平信号发生器六与数据总线连接；高电平信号发生器A的输出作为选通信号，输入与门选通单元A；自USB2.0接口电路单元一的D+、D-信号输入与门选通单元A，与门选通单元A的输出与信号转换单元一的输入连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述FPGA信号处理模块二包括数据读取单元B、译码单元B、与门选通单元B、高电平信号发生器B、电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五、电平序列发生器六和逻辑输出单元；
所述数据读取单元B与译码单元B连接，读取来自USB2.0接口电路单元二的D+、D-信号以及信号转换单元二输入的OUT2+、OUT2-信号，输入译码单元B；所述译码单元B的译码输出分别与高电平信号发生器B、电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五和电平序列发生器六连接。电平序列发生器一、电平序列发生器二、电平序列发生器三、电平序列发生器四、电平序列发生器五、电平序列发生器六与逻辑输出单元连接，高电平信号发生器B的输出作为选通信号，输入与门选通单元B；自信号转换单元二输出的OUT+、OUT-信号输入与门选通单元B,与门选通单元B的输出与USB2.0接口电路单元二连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述信号转换单元一包括放大器AD8130、电阻R1-R4和电容C1-C5；差分输入的一端经过电阻R2接地、电容R2输入放大器AD8130的同相输入端；差分输入的另一端经过电阻R1接地、电容C1输入放大器AD8130的反相输入端；所述放大器AD8130的输出端经过电阻R3和电阻R4与放大器AD8130的FB端组成了负反馈电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述信号转换单元二包括放大器AD8138、电阻R1-R8和电容C1-C5；单端输入经过电阻R1接地、电容C1、电阻R2输入运算放大器AD8138的反相输入端；所述放大器AD8138的反相输出端经过电阻R5与放大器AD8138的反相输入端组成负反馈电路；所述放大器AD8138的正相输出端经过电阻R6与放大器的正相输入端组成负反馈电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述LED光发射单元包括放大电路与驱动电路，所述放大电路由放大器AD8066、电阻R1、电阻R2组成，所述放大驱动电路由MOS管2N7001、电阻R3、电阻R4、商用LED灯组成。
8.根据权利要求1所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输装置，其特征在于：所述PIN光探测单元包括放大电路与比较电路，所述放大电路由光探测器PC10-6、放大器AD826、电阻R5、电阻R6、电阻R7组成，所述比较电路由比较器LM393与滑动变阻器R8组成。
9.一种基于USB2.0接口的可见光通信传输方法，其特征在于：发送端与接收端进行高速的数据传输上下链路采用两种不同的通信技术，其中上行链路采用低速的红外通信实现握手协议和反馈，下行链路采用高速的可见光通信实现高速数据传输。
10.所述的一种基于USB2.0接口的可见光通信传输方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
1.发送端与USB主设备连接，接收端与USB从设备连接，构成USB主设备向USB从设备高速传输数据场景，有数据接收需求的USB从设备的USB接口输出电平序列数据包；
2.与USB从设备相连的接收端的FPGA信号处理模块二中的数据读取单元B通过USB2.0接口电路单元二从设备中读取电平序列数据包，然后输入译码单元B，译码单元B根据电平序列包的不同类型进行相应的操作如下：
2.1当输入的电平序列类型为SET UP包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器一，电平序列发生器一是产生一个电平序列为1000001的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.2当输入的电平序列类型为IN令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器二，电平序列发生器二是产生一个电平序列为1000010的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.3当输入的电平序列类型为OUT令牌包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器三，电平序列发生器三是产生一个电平序列为1000011的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.4当输入的电平序列类型为包含设备请求符DATA0包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器四，电平序列发生器四是产生一个电平序列为1000100的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.5当输入的电平序列类型为0字节DATA1包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器五，电平序列发生器五是产生一个电平序列为1000101的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.6当输入的电平序列类型为ACK握手包所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发电平序列发生器六，电平序列发生器六是产生一个电平序列为1000110的指令信号，产生的指令信号输出至逻辑输出单元，然后传输至红外发射单元发射出去；
2.7当输入的电平序列类型为连续的包含设备请求符DATA0包和ACK握手包所对应电平序列，或连续的包含0字节的DATA1包和ACK握手包所对应电平序列，或其他不属于输出功能二至七所对应的电平序列时，则通过译码单元B触发高电平信号发生器B，高电平发生器B产生一个持续的高电平，选通与门选通单元B；
3.发送端的红外接收单元接收到来自接收端发射的红外信号，输出至FPGA信号处理模块一；
4.FPGA信号处理模块一中的数据读取单元A读取从红外接收单元输入的指令信号，并输入译码单元A；
5.译码单元A对指令信号进行译码操作：
5.1当检测出指令信号的电平序列为1000001时，译码单元A触发USB电平信号发生器一，USB电平信号发生器一为输出SET UP令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.2当检测出指令信号的电平序列为1000010时，译码单元A触发USB电平信号发生器二，USB电平信号发生器二为输出IN令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.3当检测出指令信号的电平序列为1000011时，译码单元A触发USB电平信号发生器三，USB电平信号发生器三为输出OUT令牌包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.4当检测出指令信号的电平序列为1000100时，译码单元A触发USB电平信号发生器四，USB电平信号发生器四为输出包含设备请求符的DATA0包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.5当检测出指令信号的电平序列为1000101时，译码单元A触发USB电平信号发生器五，USB电平信号发生器五为输出0字节DATA1包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.6当检测出指令信号的电平序列为1000110时，译码单元A触发USB电平信号发生器六，USB电平信号发生器六为输出ACK握手包对应的USB电平信号，USB电平信号通过数据总线输出至USB2.0接口电路单元一；
5.7当检测出的信号不满足上述指令信号的电平序列时，译码单元A触发高电平发生器A，高电平发生器A为产生一个持续的高电平，选通与门选通单元A；
6.选通与门选通单元A后，来自USB主设备的USB信号，直接输入信号转换单元一；
7.信号转换单元一对输入的OUT1+、OUT1-信号进行差分转单端、放大处理，转化为电压幅值2.3V的电平信号输出至LED光发射单元，LED光发射单元将电信号转换为可见光通信信号发送出去；
8.PIN光探测单元将接收到的可见光通信信号转换为电信号后，输入信号转换单元二；
9.信号转换单元二对接收的电平信号进行反相放大、单端转差分处理，并将转换后的差分信号通过OUT2+、OUT2-传输至FPGA信号处理模块二；
10.FPGA信号处理模块二中的与门选通单元B被选通后，信号转换单元二输出的差分信号直接通过USB2.0接口电路单元二进入USB从设备。
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