CN115866460B - 一种基于光通讯技术的串行通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，约定串行通讯协议，包括数据输入过程、数据发射过程、光信号接收转换过程肯和数据翻译输出过程，所述串行通讯协议在数据发送前设定，数据输入过程利用数据发送控制器将要传输的数据打包成二进制数据包，数据发射过程将数据包转换成电压信号作为光发射端的控制信号，光信号接收转换过程接收光信号并转换成接收终端控制器可识别的二进制电压信号，数据翻译输出过程翻译接收终端控制器读取的二进制电压信号。本发明的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，可实现高速、稳定、扩展性高的光信号通讯。

Description

一种基于光通讯技术的串行通讯方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种基于光通讯技术的串行通讯方法。

背景技术

光通信就是以光波为载波的通信，通过控制器产生电信号控制光发射端发射高速闪烁光信号来传输信息。由于光信号传输过程受到环境因素、硬件电路等的影响，在信号的边沿会产生失真，虽然经过比较电路能够修复边沿的抖动，但会导致某些信号位的宽度变窄，实际信号相对于理想信号的宽度变窄，对于连续在信号边沿数据读取，如果每次读取的位置为理想情况下的信号边沿，会增加数据读取错误的风险。

目前智能终端的无线传输主要依靠WIFI、蓝牙等技术，而支持光通讯技术的智能终端并没有普及，光信号传输过程对硬件资源需求高、没有规范通用的通讯协议等是限制可见光无线通信技术发展的一个重要原因。

现有技术中，光通信通过使用CMOS相机作为光电传感器，实现过程包括数据发送过程、数据接收过程及数据输出过程。

数据发送过程：数据发送端发送可见光信号，以MOS相机数据读取的死区时间为发送周期。

数据接收过程：CMOS相机采用逐行曝光的方式接受发射端发射的可见光信号。

有两种数据接收方式：

方式1：首先，CMOS曝光第一行，接收数据发送端的第一个周期的可见光信号；

然后曝光CMOS第二行，接收数据发送端的第二个周期的可见光信号，同时采集上一周期，即第一行像素中的一个像素，把该像素进行光电转换，经过信号处理把像素值转变成代表光信号的0或1二进制数值；

曝光CMOS的第N行，接收数据发送端的第N个周期的可见光信号，同时采集上一周期，即第N-1行像素中的一个像素，把该像素进行光电转换，经过信号处理把像素值转变成代表光信号的0或1二进制光信号值；

在采集完CMOS所有行像素中的一个像素后，下次曝光CMOS的第一行，以此类推直至所有信号采集完毕。

方式2：为了减少数据接收时间，智能终端的CMOS摄像头依次完成所有行数据曝光，在曝光过程中依次采集可见光通信像素列中像素的像素值，将采集的像素值统一进行光电转换，之后对光电转换后的电信号进行信号放大，采用列级ADC模块统一对该列放大后的信号进行模数转换，与阈值电压比较，输出数据0或1作为光信号值。

数据输出过程: 采用2个及以上lane的MIPI接口，将重组后的数据传输到CPU进行数据解调和解析。

现有技术中， 使用面阵COMS相机，但是每个周期是只使用到整个面阵的某一行的一个像素列，即每个信号周期只用到整个面阵中的某一个像素，有较大的硬件资源浪费。

CMOS相机接收光信号是直至完成所有的数据接收完毕，将采集的像素值统一进行光电转换，因此所使用的CMOS相机面阵行数限制了所能发送数据的最大比特数，传输数据的比特数受限。

没有规范的通讯协议，不同的设备可能存在不同的数据发送位数、不同数据包速率、不同的数据位速率，导致不同设备间通讯存在障碍。

用1位AD转换模块对光电转换放大后的信号进行模数转换，利用CPU比较模数转换后的值与CPU设定的阈值大小，判断光信号电平。相比使用硬件电路，CPU进行模数转换和程序计算会占用较长时间，对于高速传输是需要优化的。

因此，如何解决光通讯技术中的信号质量差、硬件资源需求高、没有规范通讯协议的问题，提供一种能在有信号边沿失真、环境光影响时也能实现稳定的光通讯，不显著增加智能终端硬件成本的前提下，扩展多设备间广播式通讯，规范通讯协议，实现跨设备通讯，是光通讯技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术中信号传输过程带来的信号质量差、硬件资源需求高、没有规范通讯协议的不足，本发明提供一种基于光通讯技术的串行通讯方法，在信号质量较差时也能实现稳定的通讯，削弱环境因素对通讯的影响，不显著增加智能终端硬件成本的前提下，做到有规范协议的高速光通讯，扩展多设备间广播式通讯。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

串行通讯协议涉及数据包中每一位数据的保持时间、每一个数据包的起始位、结束位、N位数列的高、低电平以及每个数据包的位数，按照约定好的串行通讯协议，在数据输入控制器把需要发送的数据进行加工，数据输入控制器按照数据包的二进制数翻转其输出引脚的电平状态，输出引脚的电平状态对应二进制的0和1，按照约定好的串行通讯协议，数据包中数据的高位对应输出引脚的一种电平状态，低位对应输出引脚的另一种电平状态。

本发明的技术方案是提供一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特殊之处在于：包括数据输入过程、数据发射过程、光信号接收转换过程、数据翻译输出过程。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：数据输入过程为：

按照约定好的串行通讯协议，在数据包发送过程前，对于数据包中除结束位外的每一位数据需要有规定好的保持时间，即这些数据位会在保持时间结束后反转或保持为数列中下一位对应的电平状态，对于数据包结束位的保持时间可按照数据发送的实际需求进行设定，其中起始位与结束位的电平状态不同，保持时间最短为APD光电探测器的数据读取死区时间。

首先，在数据输入控制器中直接输入或运算后产生需要发送的数据，将该数据转换成二进制数列，按照约定串行通讯协议，在数列的数据头尾加入一位起始位、一位结束位打包成数据包。数据包发送过程开始后，首先按照串行通讯协议规定的起始位电平改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的起始位电平进行保持。

作为本发明的优选技术方案：当起始位电平保持时间结束，发送数列的第一位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

作为本发明的优选技术方案：当数列第一位的电平保持时间结束，发送数列的第二位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

当数列的第N-1位电平保持时间结束，发送数列的第N位，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

当数列的第N位电平保持时间结束，数列的发送结束，接下来发送数据包结束位，按照串行通讯协议规定的数据包结束位与输出引脚电平关系，要求结束位与起始位在输出引脚的电平状态不同，对结束位的电平保持时间不做要求。

为实现广播式的串行通讯，至少具有一个数据输入过程、一个数据发射过程、一个光信号接收转换过程、一个数据翻译输出过程，在实际工作中可按照实际需要增减数据输入过程、数据发射过程、光信号接收转换过程、数据翻译输出过程的数量，可构建一个数据发射过程对多个信号接收转换过程和多个数据翻译输出过程，或多个数据发射过程对一个信号接收转换过程和一个数据翻译输出过程，或多个数据发射过程对多个信号接收转换过程和多个数据翻译输出过程，实现点对面、面对点、面对面的广播式光通讯。

数据包由N位二进制的数列加一位二进制起始位、一位二进制结束位构成，由于实际的二进制数列长度可能不同，数据包的总位数可按照实际需求进行设定。

为了满足光发射端对控制信号的电压或电流强度要求，数据输入控制电路是连接在数据输入控制器输出引脚与光发射器件之间的硬件电路模块，其功能是将数据输入控制器的输出引脚电平进行缩放、翻转或增强驱动能力，使之满足光发射器件对输入控制信号要求，实现通过数据输入控制器输出引脚的电平控制发射端光信号的亮与灭。

为了区别数据包的起始位与结束位，要求起始位与结束位在控制器输出引脚的电平状态不同。

对于数据包中各位的电平保持时间，是每一位数据在输出引脚的电平状态的维持时间，在保持时间结束后根据下一位数据对应在输出引脚上电平状态进行保持或翻转，数列与数据包起始位的保持时间相同，保持时间最短为APD光电探测器的数据读取死区时间，数据包的结束位保持时间不必与之相同，但不短于APD光电探测器的数据读取死区时间，

为了满足所有数据都可发送的要求，数列长度可根据实际需要发送数据转变成二进制数据后数列的最长位数进行设定。

作为本发明的优选技术方案：所述光信号接收转换具体过程为：

光发射端发射出去的光信号会在空间进行传播，光信号接收端接收到在空间中传播的光信号，通过APD光电探测器将接收的光信号输出为电信号，光信号接收转换过程把APD光电探测器输出电信号经过信号处理电路转换后，送到接收终端控制器的输入引脚上，接收终端控制器按位读取输入引脚的电平状态，输入引脚的电平状态对应二进制的0和1。

作为本发明的优选技术方案：光电探测器接收到亮灭变化的光信号，经过光电转换会产生跟光信号亮灭相关的高低电压信号，电压比较器设定好阈值与APD光电探测器输出电压比较，完成数据处理过程，输出为易于区分高、低电平信号，同时可滤除环境光影响，为满足终端控制器对输入信号的要求，经过电压比较器的高低电压信号，可以有相位和幅值的变化。

作为本发明的优选技术方案：所述数据翻译输出过程具体为：

按照串行通讯协议规定的接收数据总位数判断是否读取到完整的一组数据，读取的数据总位数是与发送的原始数据相同的二进制数据包，当读取到结束位判定为当前数据包读取完毕，然后将数据包中的数列提取并把数据翻译出来。

首先，数据终端控制器不间断检测输入引脚电平跳变沿，当检测到输入引脚电平发生从数据包结束位向下一数据包起始位跳变时，认为接收到数据，数据接收开始，立即关闭对输入引脚的电平跳变沿监测。

进一步的，把串行通讯协议规定的电平保持时间的一半作为定时最大值，开始定时，当定时器定时到设置的定时最大值，定时器清零，重新开始计时。

进一步的，当经过三次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第1位二进制数值。

进一步的，当经过五次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第2位二进制数值。

以此类推，当经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第N位二进制数值。

作为本发明的优选技术方案：为了便于区分输入数据包的起始位和结束位、监测输入引脚电平的跳变沿判断数据读取开始与结束，规定在没有数据输入时与有数据输入时数据包结束位在输入引脚的电平状态相同，且数据包的起始位与结束位在输入引脚上的电平状态不同。

作为本发明的优选技术方案：为了避免信号在传输过程中在信号边沿发生失真，选择在数据包各位数据的中点进行输入引脚的电平读取，以保证数据的可靠性，因此每次读取的都是输入引脚上读入数据包的数列中每一位二进制数据的中间时刻。

作为本发明的优选技术方案：为了实现在数列每一位二进制数据的中间时刻读取输入引脚的电平，把串行通讯协议规定的电平保持时间的一半作为定时时间，实现定时器每次都从零计时到电平保持时间的一半，并且在经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，根据此刻输入引脚的电平的高低状态将输入数据包数列的第N位二进制数值置0或置1，经过N次连续读取，得到输入数列的N位二进制数值。

与现有技术相比，本发明的一种基于光通信技术的串行通信方法，使用串行通讯协议实现光通讯，通过增加数据输入过程、数据发射过程、光信号接受转换过程、数据翻译过程中的一个或几个可以扩展点对点的通讯方式，实现点对面、面对面的广播式通讯，利用设定的串行通信协议，实现数据输入控制器到接收终端控制器的串行数据通讯；通过对串行通讯协议的改动，实现任意比特数据传送、数据可按实际需求在数据输入控制器、接收终端控制器打包成不同的数据包以满足不同的硬件电路对数据电平的翻转；数据以数据包的形式从数据输入控制端发送，每个数据包可包含一个或多个数据，通过改变数据包结束位的电平保持时间可调节数据包之间的发送频率，通过改变N位数列与数据包起始位的电平保持时间可以调节每位二进制数据的发送频率，以满足系统对数据传输的实时性和速率要求；使用APD光电探测器作为光信号接受转换器件，APD光电探测器是点探测器，减少硬件资源使用。本发明的一种基于光通信技术的串行通信方法，可以极大地提升光通讯传输速率与稳定性，只需要进行软件上配置或硬件上的简单处理即可实现不同场景对光通讯的需求，通过增加通讯过程，扩展点对点的通讯方式，可以实现广播式串行通讯，扩展光通讯的应用领域，有利于支持可见光通信的智能终端的快速量产，在对光通讯技术的进一步普及和应用上具有很高的使用价值，进一步推动可见光通信技术的发展。

附图说明

图1为本发明的光通讯系统结构图；

图2为本发明的电路结构示意图。

图3为本发明的数据发送过程示意图；

图4为本发明的数据接收过程示意图；

图5为本发明的数据包的组成图；

图6为本发明的数据读取位置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1-图6所示，本发明的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，包括数据输入过程、数据发射过程、光信号接收转换过程、数据翻译输出过程。

首先，规定好数据输入控制器与接收终端控制器间串行通讯协议，串行通讯协议涉及数据包中每一位数据的保持时间长短，每一个数据包的起始位、结束位、N位数列的二进制数码与高低电平的对应关系，以及每个数据包的总位数，按照约定好的串行通讯协议，在数据输入控制器把需要发送的数据进行加工，控制器按照数据包的二进制数码控制输出引脚的电平状态，输出引脚的电平状态对应二进制的0和1，按照约定好的串行通讯协议，数据包中数据列的高位对应输出引脚的一种电平状态，低位对应输出引脚的另一种电平状态，数据包中的起始位和结束位的高位、低位可对应与数列不同的输出引脚电平状态，但要满足起始位与结束位的输出引脚电平状态不同。

光发射端发射出去的光信号会在空间进行传播，光信号接收端接收到在空间中传播的光信号，通过APD光电转换传感器将接收的光信号输出为电信号，光信号接收转换过程将接收到的光信号的亮或灭转变为电信号的高或低电平，经过信号处理后输出给接收终端控制器。

接收终端控制器按照串行通讯协议规定的数据总位数判断是否读取到完整的一组数据，当读取到结束位判定为当前数据包读取完毕，然后将数据包中的数列提取并将对应的数据信息翻译出来。设定接收终端控制器的输入引脚，在没有数据输入时的电平状态与有数据输入时的数据包结束位在输入引脚电平状态相同。

数据输入过程具体为：

按照约定好的串行通讯协议，在数据包发送过程前，对于数据包中除结束位外的每一位之间需要有规定好的保持时间，即这些数据位会在保持时间结束后反转或保持为数列中下一位对应的状态，对于数据包的结束位的保持时间可按照数据发送的实际需求进行任意改动，不需要加以限制，其中起始位的电平状态与结束位的电平状态不同；

首先，在数据输入控制器中直接输入或通过控制器运算后产生需要发送的数据，将该数据转换成二进制数列，按照约定好的串行通讯协议，在该数列的数据头、数据位加入起始位、结束位，打包为数据包，数据包发送过程开始后首先按照串行通讯协议规定的起始位电平改变输出引脚的电压状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的起始位电平进行保持；

其次，当起始位电平保持时间结束，发送数列的第一位数据，按照串行通讯协议规定的数列电平改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持；

其次，当数列第一位电平保持时间结束，发送数列的第二位数据，按照串行通讯协议规定的数列电平改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持；

以此类推，

当数列的第N-1位电平保持时间结束，发送数列的第N位，按照串行通讯协议规定的数列电平改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚电平进行保持；

当数列的第N位电平保持时间结束，数列的发送结束，接下来发送结束位，按照串行通讯协议规定的结束位电平改变输出引脚的电平状态，并进行保持。

至此完成一个数据包的发送，依次不断循环，直至完成所有的数据接收。

数据发射过程具体过程为：

光信号发射端经过信号处理电路接在数据输入控制器的输出引脚上，数据输入控制器输出引脚的电平经过信号处理电路变成光信号发射器件的导通或截止信号，实现利用数据输入控制器输出引脚的电平控制光信号的发送或停止，使得数据包的二进制代码输出为发射端光信号的亮或灭。

接收转换具体过程为：

光发射端发射出去的光信号会在空间进行传播，光信号接收端接收到在空间中传播的光信号，通过APD光电探测器将接收的光信号输出为电信号，光信号接收转换过程将接收到的光信号的亮或灭转变为电信号的高或低电平。经过光电转换会产生跟光信号亮或灭相关的高或低电平信号，高或低电平信号需要经过电压比较器，完成信号的比较过程，并滤除环境光影响，同时经过电压比较器的高或低电平信号，与输出电压比较器之前的高或低电平信号有相位或幅值的变化，使之满足接收终端控制器对输入信号的要求。

数据翻译输出过程具体为：

首先，接收终端控制器不间断监测输入引脚电平跳变沿，当监测到输入引脚的电平发生跳变时，认为接收到数据包，数据接受开始，关闭对输入引脚的电平跳变沿；

其次，把串行通讯协议规定的电平保持时间的一半作为定时最大值，开始定时，定时器定时到定时最大值，定时器清零，重新开始计时。

再次，当经过三次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把此刻输入引脚的电平高低状态翻译为输入数据包数列的第1位二进制数值；

再次，当经过五次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把此刻输入引脚的电平高低状态翻译为输入数据包数列的第2位二进制数值；

以此类推，

当经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把此刻输入引脚的电平高低状态翻译为输入数据包数列的第N位二进制数值；

至此一个数据包的数列接受完毕，此时关闭定时器，打开对输入引脚的电平跳变沿检测，当检测到输入引脚产生电平跳变沿，启动新一轮的数据读入，依次不断循环，直至完成所有的数据接收。

作为替代方案，数据输入控制器、接收终端控制器可以使用各种型号的CPU、单片机、FPGA，光信号发射端可发射可见光或各种波长的激光。

对于不同场景的使用需求，可能需要对光或电信号在输出、传输、接收过程中的强度、相位、最大帧率、比较器阈值等进行改动，此时只需要对数据输入控制器、数据输入控制电路、光发射器件、APD、电压比较器、数据接收控制器中一个或多个进行更换。

在更换使用环境后，如果存在对数据输入控制器、数据输入控制电路、光发射器件、APD、电压比较器、数据接收控制器中一个或多个进行更换后，由于不同型号器件对同一输入信号可能产生不同输出，进而导致输出信号翻转，此种情况，只需要将约定的串行通讯协议中，在数据接收控制器输入引脚的电平高低状态与数据包二进制数值对应关系进行一次翻转即可。如更换环境前数据接收控制器输入引脚的电平为高，翻译出的输出数据包的二进制数值为1，数据接收控制器输入引脚的电平为低，翻译出的输出数据包的二进制数值为0，在更换环境后，电路结构改变导致同一输入信号在数据接收控制器发生信号翻转，此时只需要将约定的串行通讯协议中，在数据接收控制器输入引脚的电平高低状态与数据包二进制数值对应关系进行一次翻转，如数据接收控制器输入引脚的电平为高，翻译出的输出数据包的二进制数值为0，数据接收控制器输入引脚的电平为低，翻译出的输出数据包的二进制数值为1。可见本发明的一种基于光通信技术的串行通信方法，只需要进行软件上配置或硬件上的简单处理即可实现不同场景对光通讯的需求。

本发明的一种光通讯技术的串行通讯方法，通过增加数据输入过程、数据发射过程、光信号接受转换过程、数据翻译过程中的一个或几个可以扩展点对点的通讯方式，实现点对面、面对点、面对面的广播式通讯，以数据包的形式从数据输入控制器发送数据，每个数据包可包含一个或多个数列，以满足系统对数据传输的实时性和速率要求，通过改变数据包结束位电平保持时间可调节相邻数据包之间的发送频率，通过改变数列与数据包起始位的电平保持时间可以调节每位二进制数据的发送频率，以协调实际发送速率需求和APD光电探测器数据读取死区时间，提高了该串行通讯方法对不同硬件系统的适应性，也尽可能提高可操作性。本发明基于光通讯技术，利用APD光电探测器完成高速稳定的数据传输，通过约定串行通讯协议，设定数据传输的规范，只要按照协议收发数据便可实现多设备间光通讯，通过对串行通讯协议的改动，实现任意比特数据传送、数据可按实际需求在数据输入控制器、接收终端控制器打包成不同的数据包以满足使用不同的硬件电路对数据电平的翻转，最大程度上扩展该串行通讯方法在不同光通讯硬件设备的使用。本发明采用APD光电探测器，可将每位数据的发送周期缩短到APD光电探测器的数据读取死时间，数据传输速率极限位APD光电探测器支持的最大读取速率。本发明采用的APD光电探测器为点探测器，相比采用面阵的光电传感器，减少硬件资源浪费，较大的探测元也提高了探测灵敏度，降低控制器数据处理的复杂度，接收到光信号不需要逐行或逐列取值，可以减少选择行或列的寻址和等待时间，进一步提升通信速率。本发明针对每个APD光电探测器输出电压都采用电压比较器完成数据处理，通过硬件电路实现对APD光电探测器输出电压高低的判断，减少接收终端控制器的数据读取与计算的复杂度，利用硬件加速，从而提升传输速率。本发明的接收终端控制器通过跳变沿检测与定时器相结合，实现在输入信号每一位二进制数的电平保持中间进行数据读取，保证每次读取的电平都是稳定的输入信号，避免了信号边沿抖动对连续数据读取的影响，提高了数据读取的稳定性，增强光通讯技术的可靠性。

实施例1

本实例利用APD光电探测器作为光信号的接受器件与常规使用面阵CMOS采样相比，减少了像素资源的占用。数据输入控制器把需要发送的数据加工成数据包，经过数据输入控制电路产生控制光发射器件导通或截止的控制信号，光发射端控制灯的亮灭，进而产生与需要发射的数据相关的光信号，APD光电探测器对射入到感应元上的光信号进行读取，连续的把感应元上的光信号转换成电信号，并输出电压给后级的电压缩放与电压比较器，电压比较器输出的高、低电平代表了输入光信号的亮灭，因此，只需要判断经过电压比较器的高、低电平，便可以实现对光信号亮灭的识别。

输入终端控制器的输入引脚连接在电压比较器的输出端，采集电压比较器的输出电压，输入终端控制器通过判断输入引脚电平的高低，判断光信号的亮灭，若该电平为高可认为终端控制器输入的二进制数为1，则输入低电平认为输入二进制数为0，通过循环读取得到N位数列的N个二进制数据。

本实施例基于上述APD光电探测器可以实现以下可见光无线通信：

数据输入控制器产生需要发送的数据，并按照约定的串行通讯协议将其打包为数据包；

光信号发射器件接收数据输入控制器发送的二进制高、低电平，控制光发射端的亮灭；

APD光电传感器的光敏元接收空间传播的光信号，经过光电转换输出电信号，之后对电信号进行缩放，并送入电压比较器与设定的阈值比较，得到的高、低电平作为光信号相关的电信号输入终端控制器的输入引脚，作为当前时刻的光信号值。终端控制器按照约定的串行通讯协议读取输入引脚的电平状态，重构二进制数据包，翻译数据包中的数列，实现光通讯。

实施例2

本实例在实施例1的基础上，通过约定不同的串行通讯协议，进一步满足不同环境、不同硬件电路、不同设备间的光通讯。

在发射数据之前，要规定好串行通讯的协议，包括协议内容包括单个数据包的总位数、数据包起始位与结束位、N位数列在数据输入控制器输出引脚的电平状态、数列和数据包起始位的输出引脚电平保持时间。

本实例涉及到对协议内容中几项的一个或多个的不同的设定。

将数据发送端发送光信号的周期缩短到APD光电探测器数据读取死时间，缩短光信号发送周期，提升可见光数据传输速率。

APD光电探测器用于光通讯，并不需要太多的亮度信息，也不需要丰富的图像信息，只需要能检测到亮、灭的两种状态，对于相同的光信号，不同的硬件系统，需要的控制信号或输出电平信号会存在不同的电平状态。通过设定数据包起始位、N位数列、数据包的结束位对应数据输入控制器输出引脚的电平状态，可以按照实际需求设定光信号亮、灭在系统各个环节所代表的电平是高还是低。

每个数据包可包含一个或多个数列，以满足系统对数据传输的实时性和速率要求，通过改变数据包结束位的电平保持时间可调节数据包之间的发送频率，通过改变数列与数据包起始位的电平保持时间可以调节每位二进制数据的发送时间。

首先，在数据输入控制器中直接输入或运算后产生需要发送的数据，将该数据转换成二进制数列，按照约定好的串行通讯协议，在数列的数据头尾加入一位起始位、一位结束位，并打包成数据包。数据包发送过程开始后，首先按照串行通讯协议规定的起始位电平改变输出引脚的电压状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的起始位电平进行保持。

进一步的，当起始位电平保持时间结束，发送数列的第一位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

进一步的，当数列第一位的电平保持时间结束，发送数列的第二位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

当数列的第N-1位电平保持时间结束，发送数列的第N位，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚电平关系，改变输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的电平进行保持。

当数列的第N位电平保持时间结束，数列的发送结束，接下来发送结束位，按照串行通讯协议规定的结束位电平改变输出引脚的电平状态。

数据终端控制器按照约定的串行通讯协议接收数据。

首先，数据终端控制器不间断检测输入引脚电平跳变沿，当检测到输入引脚的电平发生从数据包结束位向下一数据包起始位进行跳变时，认为接收到数据，数据接收开始，立即关闭对输入引脚的电平跳变沿监测。

进一步的，把串行通讯协议规定的电平保持时间的一半作为定时最大值，开始定时，当定时器定时到定时最大值，定时器清零，重新开始计时。

进一步的，当经过三次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第1位二进制数值。

进一步的，当经过五次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第2位二进制数值。

以此类推，当经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第N位二进制数值。

采用上述方法，APD光电探测器数据的采样、光电转换、电压比较每个接收周期都只有一位数据，通过这种方式可以把发送端的数据发送周期压缩到最小。

只要满足该通讯协议，可以实现不同数据输入端、光发射端、光接收端、数据输入终端间的光通讯，具有高可扩展性和适应性。

实施例3

本实施例在实施例1或2的基础上，通过增加数据输入过程、数据发射过程、光信号接受转换过程、数据翻译过程中的一个或几个扩展点对点的通讯方式，实现点对面、面对点、面对面的广播式通讯。

本实例针对一发多收、多发一收的应用场所，增加数据输入过程的数据输入终端、数据发送过程的光发射端、光信号接收过程的光接收端或数据翻译过程的接收终端控制器的一个或几个，对于数据输入控制器与接收终端控制器仍需满足约定的串行通讯协议，便可实现广播式光通讯。对于一发多收，接收终端控制器可以同时接收数据，对于多发一收的情况，规定多个数据输入控制器发送数据需要分时进行，避免同时向接收终端控制器发送数据。对于多发多收，需要规划数据各个输入控制器与数据接收控制器的工作时序。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于，包括数据输入过程、数据发送过程、光信号接收转换过程和数据翻译输出过程，

所述数据输入过程是数据输入控制器在需要发送出去的数据前加入起始位，在数据的结尾加入结束位，并按照约定的串行通讯协议打包为二进制的数据包，

所述数据发送过程实现将数据包的二进制信号转变成光发射端的控制信号，使光发射端发射出与数据包数据相关的光信号，

所述光信号接收转换过程是光电传感器接收光信号，将光信号转换成电信号，通过信号处理得到能够被接收终端控制器识别的高、低电平信号，

所述数据翻译输出过程是接收终端控制器读取输入引脚的输入信号，按照约定的串行通讯协议将数据翻译出来，

所述光信号接收转换过程具体为，光发射端发射出去的光信号会在空间进行传播，光接收端接收到在空间中传播的光信号，通过APD光电探测器将接收的光信号输出为电信号，把接收到的光信号亮、灭转变为电信号的高、低电平并输出给接收终端控制器；

所述串行通讯协议在数据发送前设定，设定内容包括数据包中每一位数据的保持时间、每一个数据包的起始位、结束位、N位数列的高、低电平以及每个数据包的总位数，按照串行通讯协议，在数据输入控制器把需要发送的数据进行加工，数据输入控制器按照数据包的二进制数翻转其输出引脚的电平状态，输出引脚的电平状态对应二进制的0和1，按照约定好的串行通讯协议，数据包中数据的高位对应输出引脚的一种电平状态，低位对应输出引脚的另一种电平状态。

2.如权利要求1所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：

所述数据发送过程包括以下步骤：

首先，在数据输入控制器中直接输入或通过控制器运算后产生需要发送的数据，将该数据转换成二进制数列，按照约定好的串行通讯协议，在该数列的头、尾加入起始位、结束位，并打包为数据包，数据发送过程开始后，首先按照串行通讯协议规定的起始位电平来改变数据输入控制器的输出引脚的电平状态，然后根据串行通讯协议规定好的保持时间对输出引脚的起始位电平进行保持；

其次，当N=1时，起始位电平保持时间结束，发送数列的第一位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚的电平关系，改变输出引脚的电平状态，根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持；

当N大于1时，当起始位电平保持时间结束，发送数列的第一位数据，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚的电平关系，改变输出引脚的电平状态，根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持，当数列的第N-1位电平保持时间结束，发送数列的第N位，按照串行通讯协议规定的数列二进制数据与输出引脚的电平关系，改变输出引脚的电平状态，根据串行通讯协议规定的保持时间对输出引脚的电平进行保持，当数列的第N位电平保持时间结束，数列发送结束，开始发送数据包结束位，按照串行通讯协议规定的结束位电平控制输出引脚的电平状态，其中，数据包结束位的电平保持时间长于或等于数列的各数据位的保持时间。

3.如权利要求1所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：数据包是数据输入控制器实际产生的输出信号，包括实际需要发送的数据和数据包本身的标志位；

或，串行通讯协议内容中的单个数据包的总位数为1位起始位、实际发送的数据构成的N位数列和数据包的1位结束位之和；

和/或，串行通讯协议的数据包起始位与结束位与输出引脚的电平状态不同；

和/或，串行通讯协议内容中的数列与数据包起始位的输出引脚电平保持时间相同，保持时间最短为APD光电探测器的数据读取死区时间；

和/或，实际发送数据构成的N位数列是实际需要发送的数据转变成二进制数据后构成的数列，是数据包除去起始位和结束位后余下的N位数据，数列长度根据实际需要发送数据转变成二进制数据后最长数列的长度进行设定。

4.如权利要求1所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：数据发送过程为数据输入控制器输出引脚的高、低电平经过发射端控制电路变成光信号发射器件的导通、截止信号，利用数据输入控制器输出引脚的电平控制光信号的发送与停止，将数据包的二进制代码输出为发射端光信号的亮与灭，实现数据包的发送。

5.如权利要求4所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：发射端控制电路为连接在数据输入控制器输出引脚与光信号发射器件之间的硬件电路模块，其功能是将控制器的输出引脚电平进行缩放、翻转或增强其驱动能力，实现利用数据输入控制器输出引脚电平控制发射端的光信号的亮灭的目的。

6.如权利要求5所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：光电探测器接收到亮灭变化的光信号，经过光电转换会产生跟光信号亮灭相关的高、低电平信号，高、低电平信号经过电压比较器，与设定的电压阈值作比较，完成数据处理过程，输出高、低电平信号。

7.如权利要求1所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：所述数据翻译输出过程具体为：

首先，接收终端控制器不间断监测输入引脚电平跳变沿，当检测到输入引脚的电平发生跳变时，认为接收到数据，数据接收开始，关闭对输入引脚的电平跳变沿的监测；

其次，当经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第N位二进制数值；

至此一个数据包的数列接受完毕，此时关闭定时器，打开对输入引脚的电平跳变沿检测，当检测到输入引脚产生从当前数据包结束位跳变成下一数据包起始位的电平跳变沿，启动新一轮的数据读入，依次不断循环，直至完成所有的数据接收。

8.如权利要求7所述的一种基于光通讯技术的串行通讯方法，其特征在于：在没有数据输入时的电平状态与有数据输入时数据包结束位在输入引脚的电平状态相同，供输入终端控制器监测新数据包到来时在输入引脚上产生的跳变沿；

和/或，串行通讯协议规定的接收数据总位数为1位起始位、实际发送的数据构成的N位数列和数据包的1位结束位；

和/或，经过2N+1次定时时间，并读取此刻输入引脚的电平状态，在数列中每一位二进制数据保持时间的中间时刻进行数据读取；

和/或，把此刻输入引脚的电平高低状态作为输入数据包数列的第N位二进制数值，为当经过2N+1次定时时间，读取此刻输入引脚的电平状态，按照约定的串行通讯协议，根据输入引脚的电平的高低状态将输入数据包数列的第N位二进制数值置0或置1，经过N次连续读取，得到输入数列的N位二进制数值。

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