CN202268883U - 白光led楼宇可见光数字传输系统 - Google Patents

白光led楼宇可见光数字传输系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种白光LED楼宇可见光数字传输系统，其光发射模块包括发射单片机控制电路、信号输入处理电路、驱动电路和白光LED光源；发射单片机控制电路经由信号输入处理电路与驱动电路相连，驱动电路连接白光LED光源。光接收模块包括接收光学系统、光电探测器、信号处理输出电路、接收单片机控制电路；接收光学系统经由光电探测器与信号处理输出电路相连，信号处理输出电路的输出端连接接收单片机控制电路。白光LED光源与接收光学系统位置相对，两者之间通过大气信道进行信号无线传输。本实用新型能够实现照明与通信的双重功能，且具有体积小、重量轻、成本低、安全性好等优点。

Description

白光LED楼宇可见光数字传输系统
技术领域
本实用新型涉及一种数字传输系统，具体涉及一种白光LED楼宇可见光数字传输系统。
背景技术
随着城市建设的持续发展，企业、小区、道路建设的规范化，楼宇智能化、信息化传输得到逐步开展和普及。目前城市楼宇间无线信息传输大多采用激光和红外技术，虽然目前激光和红外光源具有可靠和隔离电气干扰等特点，但仍然存在以下不足：激光通信通常需大功率激光源和大量资金支持，激光存在安全问题，可能会对人眼和人体产生伤害；红外光源发射功率有限，传输过程易被尘埃、雨水等物质吸收，通信距离短，红外线也存在安全问题，可被人眼的晶状体、虹膜和睫状体吸收，可能导致视网膜的损伤；此外，激光和红外光皆不能作为照明光源，传输光路复杂，接收对准技术要求高，在楼宇间短距离通信的应用受到限制。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是传统楼宇无线光通信(激光、红外)功耗高、成本大、安全和功能单一等问题，提供一种具有照明与通信的双重功能的白光LED楼宇可见光数字传输系统。
为解决上述问题，本实用新型所设计的白光LED楼宇可见光数字传输系统，包括光发射模块、大气信道和光接收模块；光发射模块和光接收模块分别架设于相隔一定距离的楼宇楼顶；大气信道位于光发射模块和光接收模块之间。光发射模块包括发射单片机控制电路、信号输入处理电路、驱动电路和白光LED光源；发射单片机控制电路经由信号输入处理电路与驱动电路相连，驱动电路连接白光LED光源。光接收模块包括接收光学系统、光电探测器、信号处理输出电路、接收单片机控制电路；接收光学系统经由光电探测器与信号处理输出电路相连，信号处理输出电路的输出端连接接收单片机控制电路。白光LED光源与接收光学系统位置相对，两者之间通过大气信道进行信号无线传输。
上述方案中，所述白光LED光源包括采用阵列形式排列而成的LED面光源和光杯，LED面光源设置在光杯的焦点处。
上述方案中，所述信号输入处理电路为采用差分曼切斯特编码的光信号FPGA编码电路。
上述方案中，所述驱动电路包括LED恒流驱动模块和亮度控制电路，其中LED恒流驱动模块的输出端分为两路，一路通过亮度控制电路与白光LED光源相连，另一路则直接与白光LED光源相连。
上述方案中，所述驱动电路内还设有光敏电阻。
上述方案中，所述接收光学系统为光学透镜。
上述方案中，所述光电探测器为PIN光电二极管。
上述方案中，所述信号处理输出电路包括前置放大电路、自动增益控制电路、限幅电路和光信号FPGA解码电路组成，其中前置放大电路与光电探测器相连，前置放大电路的输出端经由自动增益控制电路连接至限幅电路，限幅电路与光信号FPGA解码电路连接。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
1、采用对人眼和人体无伤害的辐射光白光LED构建一种新颖的LED室外可见光传输系统，这样不仅可利用现有的传输线路进行通信链路扩展、无需另外架设传输介质便可进行快速灵活组网；而且可见光通信具有不占用无线电频谱、无电磁干扰和保密性好等光通信传统优势，从而使得本实用新型能够同时实现照明和通信的双重功能；
2、系统白天不进行照明，当有数据传送时，启动白光LED光源，并进行数据传输，传输完毕关闭白光LED光源；而在晚上时则可在照明的基础上，同时进行数据传输；
3、采用差分曼切斯特编码能够有效解决传统编码长连零问题，保证在发送数据时LED不发生闪烁现象；
4、在强背景光(太阳光)干扰下，采用适当的光学系统进行光路处理，实现LED室外可见光有效传输，在标准照明条件下，传输距离可达30-50米，接收灵敏度可达到-30dBm；
5、具有体积小、重量轻、成本低、安全性好等优点。
附图说明
图1为一种白光LED楼宇可见光数字传输系统的系统原理框图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型所设计的一种白光LED楼宇可见光数字传输系统，包括光发射模块、大气信道和光接收模块。光发射模块和光接收模块分别架设于相隔一定距离的楼宇楼顶；大气信道位于光发射模块和光接收模块之间。上述光发射模块包括发射单片机控制电路、信号输入处理电路、驱动电路和白光LED光源；发射单片机控制电路经由信号输入处理电路与驱动电路相连，驱动电路连接白光LED光源。上述光接收模块包括接收光学系统、光电探测器、信号处理输出电路、接收单片机控制电路；接收光学系统经由光电探测器与信号处理输出电路相连，信号处理输出电路的输出端连接接收单片机控制电路。白光LED光源与接收光学系统位置相对，两者之间通过大气信道进行信号无线传输。
在本实用新型所述光发射模块的优选实施例中，所述白光LED光源包括采用阵列形式排列而成的LED面光源和光杯，LED面光源设置在光杯的焦点处。LED面光源可通过多只LED串联和/或串并联方式进行连接，以提高辐射功率。光杯呈碗状或杯状，其内部凹陷表面设有反光板，用以适当控制光斑的覆盖区域，并保证一定的室外照度，50米内大于30lux。所述信号输入处理电路为采用差分曼切斯特编码的光信号FPGA编码电路来实现光信号的调制。单片机和FPGA实现信号输入和处理，实现曼切斯特编码，降低长连零现象，有效避免在发送数据时LED闪烁，提高抗干扰性能，保证发射端照明与通信的功能。为了对白光LED光源进行亮度控制，所述驱动电路完成恒流驱动，实现光照明和信号的发送，主要由LED恒流驱动模块和亮度控制电路构成，其中LED恒流驱动模块的输出端分为两路，一路通过亮度控制电路与白光LED光源相连，另一路则直接与白光LED光源相连。LED恒流驱动模块采用恒流驱动器DD311来设计，开关脉冲输入到EN端控制LED的亮灭实现光强度调制，从而完成信息加载和发送。LED亮度调节由运放LM358构成滤波电路及直流放大电路来完成，第一级运放为电压跟随器，对FPGA产生的PWM信号起缓冲作用。PWM信号经RC低通滤波器转换为直流电压，再经LM358同相放大得到调光电压Vbias，通过调整Vbias电压改变输出电流实现LED灯光亮度调整。驱动电路采用强度调制/直接检测(IM/DD)非相干方式。此外，驱动电路内还设有光敏电阻作为光学传感，完成白天和夜间的识别，自动切换白光LED光源的照明开启和关闭，当白天光照度大于一定值，关闭白光LED光源的照明，若需要传输数据时启动白光LED光源进行数据传输，传送完毕再次关闭白光LED光源。当夜间光照度小于一定值，点亮LED照明系统，进行正常照明和通信。
在本实用新型所述光接收模块的优选实施例中，所述接收光学系统采用光学透镜进行光信号的聚焦。所述光电探测器为PIN光电二极管，其具有灵敏度高、光电转换线性度好、响应速度快的优点。所述信号处理输出电路包括前置放大电路、自动增益控制(AGC)电路、限幅电路和光信号FPGA解码电路组成，其中前置放大电路与光电探测器相连，前置放大电路的输出端经由自动增益控制电路连接至限幅电路，限幅电路与光信号FPGA解码电路连接。其中前置放大器采用高速、高阻、低噪的电压反馈型CMOS运放OPA2354设计构成跨阻放大器，OPA2354构成的跨阻前置放大器通过反馈电阻，给输入端提供负反馈的高增益、高阻抗，其具有低噪声、低功耗、动态范围大、频带宽和不需要均衡电路等优点。自动增益控制电路使用TL026芯片来设计，自动增益控制电路保证放大器有足够的信号动态范围，当光照度在一定范围内变化时，光接收电路能保持正常接收。限幅电路采用OPA2354设计，将自动增益控制电路输出的幅度不同的信号转换成数字信号处理成等幅的数字信号。FPGA解码电路则主要完成数据的曼切斯特解码。
本实用新型发射单片机控制电路和接收单片机控制电路均采用C8051F320单片机作为主控MCU，用以控制LED照明亮度调整和液晶显示，实现计算机与FPGA的通信。C8051F320是集成的混合信号片上系统(SOC)，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，内部Flash存储器可实现在系统编程。同时C8051F320单片机内部还带有USB收发器，因而很方便的实现和电脑上位机的高速通信。FPGA中采用Altera公司Cyclone系列EP1C3T144C8N芯片，完成光通信的数据编码与解码。单片机与FPGA通过SPI接口实现数据通信，白光LED通信接收时采用中断接收方式，接收到数据时由中断脉冲触发单片机外部中断指令通知单片机数据接收。

Claims (8)

1.白光LED楼宇可见光数字传输系统，包括光发射模块、大气信道和光接收模块；光发射模块和光接收模块分别架设于相隔一定距离的楼宇楼顶；大气信道位于光发射模块和光接收模块之间；其特征在于：
光发射模块包括发射单片机控制电路、信号输入处理电路、驱动电路和白光LED光源；发射单片机控制电路经由信号输入处理电路与驱动电路相连，驱动电路连接白光LED光源；
光接收模块包括接收光学系统、光电探测器、信号处理输出电路、接收单片机控制电路；接收光学系统经由光电探测器与信号处理输出电路相连，信号处理输出电路的输出端连接接收单片机控制电路；
白光LED光源与接收光学系统位置相对，两者之间通过大气信道进行信号无线传输。
2.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述白光LED光源包括采用阵列形式排列而成的LED面光源和光杯，LED面光源设置在光杯的焦点处。
3.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述信号输入处理电路为采用差分曼切斯特编码的光信号FPGA编码电路。
4.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述驱动电路包括LED恒流驱动模块和亮度控制电路，其中LED恒流驱动模块的输出端分为两路，一路通过亮度控制电路与白光LED光源相连，另一路则直接与白光LED光源相连。
5.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述驱动电路内还设有光敏电阻。
6.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述接收光学系统为光学透镜。
7.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述光电探测器为PIN光电二极管。
8.根据权利要求1所述的白光LED楼宇可见光数字传输系统，其特征在于：所述信号处理输出电路包括前置放大电路、自动增益控制电路、限幅电路和光信号FPGA解码电路组成，其中前置放大电路与光电探测器相连，前置放大电路的输出端经由自动增益控制电路连接至限幅电路，限幅电路与光信号FPGA解码电路连接。
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