CN114944870A - 一种基于可见光通信的uart协议实现装置 - Google Patents

一种基于可见光通信的uart协议实现装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可见光通信的UART协议实现装置，所述装置包括光发射器、光接收器、光发送处理电路、光接收处理电路、基于Verilog的协议转换模块，通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号；通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号。本发明实现了UART协议在可见光通信媒介上的透明传输，引入了信号调制，显著提高了UART协议在可见光通信媒介上的传输距离以及稳定性，使用者可根据需要，设定可见光通信系统间的通信协议和编码方式，扩充了可见光通信的使用范围和通用性。

Description

一种基于可见光通信的UART协议实现装置
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种基于可见光通信的UART协议实现装置。
背景技术
目前，可见光通信技术(Visible Light Communication，VLC)是指利用400～760nm之间的可见光波段的光作为信息载体，利用肉眼看不到的高频率明暗闪烁光信号进行无线传输信息的技术，该技术中主流的调制方式有：开关键控调制（OOK）、脉冲位置调制（PPM）、正交频分复用调制（OFDM）等。常见的可见光通信的原理图如图1所示，其中包括光发射器、光接收器、光发送处理电路、光接收处理电路等等。
通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART，是一种串行、异步、全双工的通信协议，在嵌入式领域应用的非常广泛。在嵌入式系统中使用可见光通信也已经得到了越来越加以广泛的应用，但是可见光通信协议与嵌入式系统中所采用的主流通信协议UART或其他协议有着明显的不同。所以在嵌入式系统开发过程中，想要与可见光通信设备直接建立起数据传输进行开发并非十分方便。这是在嵌入式系统中对可见光通信进行开发需要解决的一个问题。同时，可见光通信系统的距离、稳定性都需要进一步的改善，并且可见光通信并不具备一定的通用性。
专利CN 108400817 A，提出了一种基于串口传输曼彻斯特编码的可见光通信方法，该方法基于串口传输曼彻斯特编码的可见光通信方法从上位机接收到的原始数据进行曼彻斯特编码，编码后的信息通过串口进行传输，由开关MOSFET根据曼彻斯特编码的信息控制LED灯的亮灭，数据通过可见光进行传输，在可见光通信的收发端都使用串口协议来进行数据的传输。从上述专利可以看出其方法的编码方式仅可以为曼彻斯特编码。同时，编码需要在上位机进行查表编码，需要上位机每次发送过程中反复的编码。这对于使用者是十分不方便的，同时该方法可见光通信系统的通信协议限定为串口协议，且这对于所有场合并非都是适用的，所以其具有一定的局限性以及较低的通用性。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于可见光通信的UART协议实现装置。
本发明所采用的技术方案是：一种基于可见光通信的UART协议实现装置，通过串口的方式实现基于可见光通信的数据收发且使用者可自定可见光通信系统协议间的通信协议和编码方式，从而也可实现复数台嵌入式设备之间通过可见光进行异步通信。
所述装置包括：光发射器、光发送处理电路、光接收器、光接收处理路、基于Verilog的协议转换模块；
通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号；通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号。
进一步地，所述基于Verilog的协议转换模块包括数据发送模块和数据接收模块，实现多个可见光通信系统对数据进行基于UART协议的收发，使可见光通信系统具有UART接口，从而能与多种具有串口接口的设备或模块进行数据交互。
进一步地，所述光发射器使用LED，用于光信号的发射，将电信号转换成光信号。
进一步地，所述光接收器使用光电二极管，用于光信号的接收，将光信号转换成电信号。
进一步地，所述光发送处理电路包括调制电路和LED驱动电路，对数据信号进行加载调制以及驱动LED通过光信号对数据进行传输。
进一步地，所述光接收处理电路包括前置放大电路、带通滤波器、解调电路、低通滤波器、主放大电路，将接收信号进行放大、解调、滤波、整形从而得到发送方所发送的数据信号。
进一步地，所述数据发送模块包括UART接收模块、编码模块和信号发送模块。
进一步地，所述数据接收模块包括信号采样模块、解码模块和UART发送模块。
进一步地，所述调制电路包括振荡器和相乘器，振荡器产生载波信号，载波信号与数据信号通过相乘器进行调制，从而实现将数据信号加载调制到高频信号中；
所述LED驱动电路由两个三极管复合构成达林顿复合管，对已调信号进行放大，所输出的放大信号对LED进行驱动。
进一步地，所述前置放大电路使用共射极放大电路，对光电二极管接收的信号进行初次放大；所述带通滤波器对放大后的接收信号进行一定频段的滤波，消除其他频段的杂波；所述解调电路包括振荡器、相乘器，实现对已调信号进行相干解调；所述低通滤波器其截止频率为光发射器的数据信号频率，从而消除高于其频率的杂波；所述主放大电路由多级运算放大器放大电路和电压比较器构成，对通过低通滤波器后的信号进行多级放大并且将信号进行整形输出。
进一步地，所述振荡器产生调制或解调所用的载波或同步信号。
进一步地，所述UART接收模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位。使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、接收状态、停止等待状态以及数据处理状态，在成功接收数据后可将数据提供给其他模块进行使用；所述编码模块对所使用的编码规则进行编码；所述信号发送模块根据所使用的可见光通信协议，将已编码的数据信号发送给光发送处理电路。
进一步地，所述信号采样模块对已编码信号进行采样，将采样的数据传给解码模块；所述解码模块将所采样的数据进行解码从而恢复出原始的数据；所述UART发送模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位。使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、发送状态、发送停止位状态。将数据通过UART协议发送给具有UART接口的设备。
进一步地，所述通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号，过程包括：具有串口接口的设备通过UART接收模块与本装置进行基于UART协议的数据传输，将数据通过编码模块进行编码，最后通过信号发送模块将已编码的数据信号发送给光发送处理电路对其进行加载调制、放大，最后通过LED驱动电路驱动光发射器将电信号转为光信号对数据进行传输。
进一步地，所述通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号，过程包括：通过光接收器进行接收光信号，将光信号转为电信号。将所接收信号通过光接收处理电路进行放大、解调、滤波、整形从而得到发送方所发送的已编码信号。将已编码信号通过信号采样模块和解码模块进行恢复，从而得到数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过将可见光通信协议转为UART协议，通过串口的方式快速实现基于可见光通信的数据收发，并将数据信号加载到高频信号上进行传输，从而大大提高了可见光通信系统的传输距离以及稳定性，且使用者可根据需要在基于Verilog的协议转换模块中自定可见光通信系统间的通信协议和数据的编码方式，从而使得可见光通信的通用性大大提高。
附图说明
图1为常见的可见光通信原理图；
图2为本发明的装置原理示意图；
图3为本发明装置的结构图；
图4为本发明的功能实现流程图；
图5为本发明中的光发送处理电路结构图；
图6为本发明中的光接收处理电路结构图；
图7为实施例1中的PC端通过串口实现基于可见光通信的数据发送流程图；
图8为实施例2中的PC端通过串口实现基于可见光通信的数据接收流程图；
图9为本发明的实验结果波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种基于可见光通信的UART协议实现装置，如图2、图3所示。本装置包括光发射器、光发送处理电路、光接收器、光接收处理电路、基于Verilog的协议转换模块。通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号；通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号。
所述光发射器使用LED，用于光信号的发射，将电信号转换成光信号。
如图5所示，所述光发送处理电路包括调制电路和LED驱动电路，对数据信号进行加载调制以及驱动LED通过光信号对数据进行传输；所述调制电路包括振荡器和相乘器，振荡器产生载波信号，载波信号与数据信号通过相乘器进行调制，从而实现将数据信号加载调制到高频信号中；所述LED驱动电路由两个三极管复合构成达林顿复合管，对已调信号进行放大，所输出的放大信号对LED进行驱动。
所述光接收器使用光电二极管，用于光信号的接收，将光信号转换成电信号。
如图6所示，所述光接收处理电路包括前置放大电路、带通滤波器、解调电路、低通滤波器、主放大电路，将接收信号进行放大、解调、滤波、整形从而得到发送方所发送的数据信号。所述前置放大电路使用共射极放大电路，对光电二极管接收的信号进行初次放大；所述带通滤波器对放大后的接收信号进行一定频段的滤波，从而消除其他频段的杂波；所述解调电路包括振荡器、相乘器，实现对已调信号进行相干解调；所述低通滤波器其截止频率为光发射器的数据信号频率，从而消除高于其频率的杂波；所述主放大电路由多级运算放大器放大电路和电压比较器构成，对通过低通滤波器后的信号进行多级放大并且将信号进行整形输出。
所述基于Verilog的协议转换模块包括数据发送模块和数据接收模块。
所述数据发送模块包括UART接收模块、编码模块和信号发送模块。所述UART接收模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位；使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、接收状态、停止等待状态以及数据处理状态，在成功接收数据后可将数据提供给其他模块进行使用；所述编码模块对所使用的编码规则进行编码；所述信号发送模块根据所使用的可见光通信协议，将已编码的数据信号发送给光发送处理电路。
所述数据接收模块包括信号采样模块、解码模块和UART发送模块。所述信号采样模块对已编码信号进行采样，将所采样的数据传给解码模块；所述解码模块将所采样的数据进行解码从而恢复出原始的数据；所述UART发送模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位；使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、发送状态、发送停止位状态；将数据通过UART协议发送给具有UART接口的设备。
如图4所示，本发明实施例提供的一种基于可见光通信的UART协议实现装置的功能实现流程包括：
S100：在本装置的发送端通过串口的方式实现基于可见光通信的发送光信号。
如图4所示：在本装置所接的具有UART接口的模块或设备中输入需要通过可见光通信传输的数据，通过UART协议与本装置中的UART接收模块进行数据的传输，将所接收到的数据通过编码模块进行编码，进一步地由信号发送模块将已编码的数据信号发送到光发送处理电路中，并与振荡器所产生的载波信号通过相乘器实现调制。进一步地，由复合管所构成的放大电路进行放大已调信号，通过光发射器对调制信号进行发射。达到通过串口实现基于可见光通信的数据发送的目的。
S200：在本装置的接收端通过串口的方式实现基于可见光通信的接收。
如图4所示，在本装置的光接收器中接收已调信号，并将其由光信号转换为电信号。进一步地通过光接收处理电路以及基于Verilog的协议转换模块。对所接收的信号进行处理，其包含以下步骤：
S201：前置放大电路对接收信号进行初次放大；
S202：带通滤波器对信号进行一定频段的滤波；
S203：对带通滤波器所滤波后的信号与振荡器产生的同步信号通过相乘器进行解调；
S204：解调信号通过低通滤波器进行滤波，其截止频率为发送端所发送的数据信号频率。
S205：将通过低通滤波器后的信号再次放大，随后将其通过电压比较器进行整形。
S206：采样模块对整形后的信号进行采样，采样后将数据送入解码模块。
S207：解码模块对数据进行解码，从而恢复原始数据。
通过上述步骤最终得到发送端所发的数据，从而达到通过串口实现基于可见光通信的数据接收的目的。也可以将此数据通过基于Verilog的UART模块与具有UART接口的模块或者设备进行基于UART协议的数据传输。
下面结合附图与实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
实施例1：
图7为PC端通过串口实现基于可见光通信的数据发送流程图。PC端通过串口助手通过UART协议使用波特率115200与本装置中UART接收模块进行数据的传输，在接收到数据后将数据通过编码模块进行差分曼彻斯特编码，随后将已编码数据通过信号发送模块将已编码的数据信号发送到光发送处理电路中，并与振荡器所产生的载波信号通过相乘器实现OOK调制。进一步地，由复合管所构成的放大电路进行放大已调信号，通过光发射器对调制信号进行发射。达到通过串口实现基于可见光通信的数据发送的目的。
实施例2：
设已调信号频率中心为25kHZ，发送方发送数据频率为1kHZ，且使用差分曼彻斯特进行编码。
图8为PC端通过串口实现基于可见光通信的数据接收流程图。在本装置的光接收器中接收已调信号，并将其由光信号转换为电信号。共射放大电路作为前置放大电路对接收信号进行初次放大后通过巴特沃斯带通滤波器对信号进行一定频段的滤波；将通带为25kHZ-27kHZ的带通滤波器所滤波后的信号与振荡器所产生的同步信号通过相乘器进行解调；解调信号通过低通滤波器进行滤波，其截止频率1kHZ，将通过低通滤波器后的信号通过二级运算放大器进行再次放大至4V，随后将其通过电压比较器进行整形，进一步地由基于Verilog的协议转换模块中的信号采样模块对其进行采样，采样频率为4kHZ，将采样到的数据通过解码模块进行解码，进一步地通过UART发送模块对PC端进行基于UART协议的数据传输，最终通过串口助手显示所传输的数据，从而达到通过串口实现基于可见光通信的数据接收的目的。
图9为本发明的实验结果波形图。
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)

1.一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：
所述装置包括光发射器、光发送处理电路、光接收器、光接收处理电路、基于Verilog
的协议转换模块；
通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号；通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：所述基于Verilog的协议转换模块包括数据发送模块和数据接收模块；
所述数据发送模块包括UART接收模块、编码模块和信号发送模块；
所述数据接收模块包括信号采样模块、解码模块和UART发送模块。
3.根据权利要求1所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：所述光发射器使用LED，用于光信号的发射，将电信号转换成光信号；
所述光接收器使用光电二极管，用于光信号的接收，将光信号转换成电信号；
所述光发送处理电路包括调制电路和LED驱动电路，对数据信号进行加载调制以及驱动LED通过光信号对数据进行传输；
所述光接收处理电路包括前置放大电路、带通滤波器、解调电路、低通滤波器、主放大电路，将接收信号进行放大、解调、滤波、整形从而得到发送方所发送的数据信号。
4.根据权利要求3所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：
所述调制电路包括振荡器和相乘器，振荡器产生载波信号，载波信号与数据信号通过相乘器进行调制，从而实现将数据信号加载调制到高频信号中；
所述LED驱动电路由两个三极管复合构成达林顿复合管，对已调信号进行放大，所输出的放大信号对LED进行驱动。
5.根据权利要求3所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：
所述前置放大电路使用共射极放大电路，对光电二极管接收的信号进行初次放大；
所述带通滤波器对放大后的接收信号进行一定频段的滤波，从而消除其他频段的杂波；
所述解调电路包括振荡器、相乘器，实现对已调信号进行相干解调；
所述低通滤波器其截止频率为光发射器的数据信号频率，从而消除高于其频率的杂波；
所述主放大电路由多级运算放大器放大电路和电压比较器构成，对通过低通滤波器后的信号进行多级放大并且将信号进行整形输出。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：所述振荡器产生调制或解调所用的载波或同步信号。
7.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：
所述UART接收模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位；使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、接收状态、停止等待状态以及数据处理状态，在成功接收数据后将数据提供给其他模块进行使用；
所述编码模块对所使用的编码规则进行编码；
所述信号发送模块根据所使用的可见光通信协议，将已编码的数据信号发送给光发送处理电路。
8.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：
所述信号采样模块对已编码信号进行采样，将所采样的数据传给解码模块；
所述解码模块将所采样的数据进行解码从而恢复出原始的数据；
所述UART发送模块具有一位起始位、八位数据位和一位停止位；使用状态机对其进行设计，具有空闲状态、开始状态、发送状态、发送停止位状态；将数据通过UART协议发送给具有UART接口的设备。
9.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：所述通过基于Verilog的协议转换模块对基于UART协议传输的数据信号转换为基于可见光通信协议传输的数据信号，过程包括：具有串口接口的设备通过UART接收模块与本装置进行基于UART协议的数据传输，将数据通过编码模块进行编码，最后通过信号发送模块将已编码的数据信号发送给光发送处理电路对其进行加载调制、放大，最后通过LED驱动电路驱动光发射器将电信号转为光信号对数据进行传输。
10.根据权利要求2所述的一种基于可见光通信的UART协议实现装置，其特征在于：所述通过基于Verilog的协议转换模块对基于可见光通信协议传输的数据信号转换为基于UART协议传输的数据信号，过程包括：通过光接收器进行接收光信号，将光信号转为电信号，将所接收信号通过光接收处理电路进行放大、解调、滤波、整形从而得到发送方所发送的已编码信号，将已编码信号通过信号采样模块和解码模块进行恢复，从而得到数据。
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