基于51單片機的LED可見光點對點通信實驗研究

張笑航，武向農，周 明，喬印雪

（上海師范大學 信息與機電工程學院，上海200234）

基于51單片機的LED可見光點對點通信實驗研究

張笑航，武向農，周 明，喬印雪

（上海師范大學 信息與機電工程學院，上海200234）

可見光通信技術是一種新型帶寬無線通信技術，其采用發光二極管（LED）作為光源，利用LED燈光承載的高速明暗閃爍信號來傳輸信息。根據可見光通信原理，基于51單片機提出一種LED可見光通信系統設計方案。該系統采用點對點的定向視距鏈路通信方式，發射端選用OOK-NRZ脈沖調制方式對LED發光陣列進行調制并發送信號，接收端采用光強度調制-直接檢測技術對接收信號進行解調，然后通過1602字符型液晶顯示器顯示接受信息。實驗中，系統在30cm距離范圍內，可以實現基本英文字符的發送、接收與顯示。實驗結果表明，該系統能夠通過可見光實現簡單的單工數據通信功能，具有低成本、低功耗及體積小等優點。

可見光通信；51單片機；LED；LCD1602；單工數據通信

1 引 言

2000年可見光通信技術（VLC）作為一種新的帶寬無線通信技術橫空出世，它采用發光二極管（LED）作光源，利用LED發出的高速明暗閃爍燈光來調制和傳輸信息，接收端則使用光電二極管實現光電轉換，獲取 LED燈光中承載的信息[1-4]。白光LED現在已經被廣泛應用于信號發射、顯示、照明等領域。相比于其它光源，白光LED具有更高的調制帶寬，并且它還具有調制性能好、響應靈敏度高的優點，利用這些特性，可以實現可見光的高速通信。

目前，國內關于可見光通信技術的研究主要集中在理論研究和仿真分析方面，也有一些機構進行了可見光通信系統的設計研究，但因為存在一些限制因素，所以距離實際應用還存在一定的距離，如白光LED有限的帶寬嚴重限制了傳輸速率，編碼與信號處理芯片性能和集成度較低，阻礙了可見光通信技術的發展[1]。因此，本文立足于國內室內可見光通信研究現狀，基于51單片機研究和設計了一種LED可見光通信系統，初步實現了LED可見光單工數據通信。系統采用了STC89C52RC單片機芯片，完成了LED可見光通信系統發射機與接收機的設計和實現。實驗測試結果表明，系統設計合理，運行穩定，證明了本系統設計方案的可行性和有效性。最后，總結了本系統的性能，并對本系統的不足進行了說明，給出了改進的方法。

2 系統原理與結構

基于51單片機的LED可見光通信系統主要由信號發射機，傳輸信道和信號接收機構成。在發送端，原始數據經過預處理以及存儲與編碼之后，通過LED驅動電路，對LED進行脈沖調制，從而將電信號轉換為強弱變化的光信號。承載著傳輸數據的光信號在室內自由空間光信道中進行傳輸，到達接收端后，接收機通過光電二極管，將光信號轉換成電信號，然后對電信號進行信號處理、解調與解碼之后，恢復出相應的原始傳輸數據，并將結果顯示在字符型液晶顯示器上。LED可見光通信系統原理框圖如圖1所示[1]。

圖1 LED可見光通信系統原理框圖

3 系統設計

3.1 VLC系統發射機設計與現實

VLC系統發射機電路原理如圖2所示。

圖2 VLC系統發射機電路原理圖

1.串口通信模塊：本模塊串行口工作模式為模式1:8位UART（通用異步收發傳輸器），波特率可根據需要進行改變。同時，系統產生信源信息時使用了串口通信模塊，并對得到的二進制字符序列進行了編碼調制。系統選用的是OOK-NRZ脈沖調制方式，該調制方式實現簡單，常用于可見光通信系統的性能測試。

2.發射模塊：本模塊核心器件為STC89C52RC單片機，特點為抗干擾性強，高速且低功耗，是一種增強型8051單片機。STC89C52RC單片機作為主控芯片，同時具有復位電路、時鐘電路以及程序下載調試電路。需要傳輸的數據信息通過串口通信傳送給主控芯片，然后在STC89C52RC單片機的控制下驅動LED驅動模塊[5]。

3.LED驅動模塊：由于串口通信模塊輸出的信號經過調制后的電流很小，不足以驅動LED陣列工作，所以需要設計專門的LED驅動電路來為LED的正常工作提供恒定的驅動電流。白光LED陣列驅動電路原理如圖3所示，系統光源采用直徑5mm的3×8LED陣列，使用強度調制將電信號轉為光信號，光信號隨輸入電信號的強弱變化而變化，并通過室內自由空間光信道傳遞可見光數據。

圖3 LED陣列驅動電路原理圖

3.2 VLC系統接收機設計與現實

VLC系統接收機電路原理如圖4所示。

圖4 VLC系統接收機電路原理圖

1.光電轉換模塊：在接收端系統中，光電探測器采用光強度調制-直接檢測技術，利用光電二極管接收可見光數據，同時將光信號轉換為電信號。同時，考慮到PIN型光電二極管的光電轉換線性度好，響應速度較快，無需高工作電壓且價格較低，因此系統中選擇了PIN型光電二極管。

2.字符型液晶顯示器模塊：本系統使用的是1602字符型液晶顯示器，基本參數為：（1）顯示容量16×2個字符；（2）芯片工作電壓4.5-5.5V；（3）工作電流2.0mA；（4）字符尺寸2.95×4.35(W×H)mm。1602字符型液晶顯示器實物圖及其電路原理圖如圖5和圖6所示。

圖5 1602字符型液晶顯示器實物圖

圖6 1602字符型液晶顯示器電路原理圖

3.光數據接收模塊：當接收端光敏二極管檢測到LED光強度的變化時，將光信號通過光電轉換得到電信號，之后電信號還需要進行濾波、信號放大等處理過程才能進入解調模塊，經過解調出的信號為0、1序列，經過串口通信傳送至接收端主控芯片，至此還原出發射端傳送的數據[6-7]。光數據接收電路原理圖如圖7所示。

圖7 光數據接收電路原理圖

4 系統應用測試

系統設計中，發射板是通過USB接口連接PC機供電，接收板則是通過3節5號電池供電。本系統電路實物圖如圖8所示。

圖8 基于51單片機的VLC系統電路實物圖

我們對系統進行了如下測試，并觀察了信號的發射接收狀況。

4.1 測試準備

1.檢查發射板和接收板是否供電：發射板供電時，無論發射端有沒有數據傳輸，LED陣列常亮，此時為待傳送數據狀態；接收板供電時，1602字符型液晶顯示屏被點亮，顯示字符：“Receive Data：”，此時為待接收數據狀態。

2.接收板調試：在室內環境下，接收板上的紅色發光二極管是熄滅狀態；同時，在不同環境下，可通過小螺絲刀調節微調電位器，控制接收板芯片電壓輸出大小。

3.檢測通信狀態：接收板調試好后，打開發射板的LED陣列，調整發射板和接收板的距離 （約20cm），當接收板上的紅色發光二極管為點亮狀態，則表明可以進行可見光數據通信。

4.2 測試步驟

1.數據通信測試：發射板上有S1-S6共6個按鍵，分別控制a-f 6個小寫英文字符的發送。測試時，我們依次按下6個按鍵，觀察接收板上的數據接收狀況。

2.遮擋物干擾測試：測試時，在發射板和接收板之間加設一個遮擋物（如：白紙），通過按鍵改變發射板發射的數據內容，觀察接收板上的數據接收狀況。

3.通信鏈路測試：測試時，改變發射板的位置，使發射板與水平線呈一定角度，通過按鍵改變發射板發射的數據內容，觀察接收板上的數據接收狀況。

4.通信距離測試：測試時，不斷增加發射板與接收板之間的距離，通過按鍵改變發射板發射的數據內容，觀察接收板上的數據接收狀況。

4.3 測試結果分析

1.數據通信測試：測試中，按下發射板的S1鍵，其對應的數據“No.1：a”經過系統傳輸后，接受板的1602字符型液晶顯示屏上準確顯示出“Receive Data：No.1：a”，測試中，系統將待傳輸數據經過脈沖編碼調制，通過可見光通信信道，從發射端傳輸至接收端，且接收數據準確無誤。測試結果表明，本實驗設計的可見光通信系統實現了簡單的實時單工數據通信。測試觀察結果如圖9所示。

圖9 數據通信測試結果圖

2.遮擋物干擾測試：測試中，當遮擋物阻斷可見光通信信道時，通信中斷。測試結果表明，本實驗設計的可見光通信系統僅適用于室內無阻隔條件下的點對點通信，當發射端和接收端之間無障礙物時，通信效率較高。此時接收板上的紅色發光二極管是熄滅狀態。測試中，我們改變發送的數據內容，雖然發射板仍在發送光信號，但接收板的1602字符型液晶顯示屏上的接收數據內容沒有改變，說明通信中斷；移除遮擋物后，通信恢復正常，這也說明觀察到的接受數據是從可見光通信信道傳輸后收到的。測試結果如圖10所示。

圖10 遮擋物干擾測試結果圖

3.通信鏈路測試：測試中，當發射端與水平線偏離達30°時，通信中斷。測試結果表明，本實驗設計的可見光通信系統僅適用于直射式視距鏈路，當發射端和接收端對準時，鏈路的功率利用率較高。經實際測量，發射板與水平線偏離達30°時，接收板上的紅色發光二極管為熄滅狀態，此時，接收數據內容不再變化，通信中斷。測試結果如圖11所示。

圖11 通信鏈路測試結果圖

4.通信距離測試：測試中，當發射端與接收端之間的距離超過30cm，通信中斷。測試結果表明，實驗設計的可見光通信系統僅適用于室內近距離通信，當發射端與接收端之間的距離在30cm以內，通信成功率較高。我們發現在室內環境下，發射板與接收板之間的距離在30cm以內，可以實現有效的可見光通信；若距離超過30cm，接收板上的紅色發光二極管為熄滅狀態，通信中斷。測試結果如圖12所示。

圖12 通信距離測試結果圖

5 結束語

本文設計并實現了一種基于51單片機的LED可見光通信系統，采用抗干擾、高速且低功耗的STC89C52RC單片機進行控制，利用串口通信實現傳輸數據的發送和接收，且系統使用USB和5號電池供電，體積小，便于攜帶。系統測試結果表明，本系統操作方便，能夠通過可見光實現簡單的單工數據通信，可以應用于室內視距可見光通信系統。

雖然本文基本實現了LED室內可見光通信，但仍存在以下問題：（1）本文中的發射板是通過USB供電，接收板是通過5號電池供電，不是很方便，后續工作可以優化供電問題。（2）系統采用的脈沖編碼方式，雖簡單易行，但沒有考慮碼間干擾等影響，后續可利用正交頻分復用（OFDM）調制技術，有效抵抗多徑干擾，提高頻帶利用率。

[1]遲楠.LED可見光通信技術[M].北京：清華大學出版社，2011：12-15.

[2]俞洋.基于白光LED的可見光通信系統設計[J].光通信技術，2014，31(4)：50-52.

[3]王濤.基于51單片機的LED可見光通信系統[J].電視技術，2013，37(9)：61-63.

[4]DIMITROV S,SINANOVIC Sinan,HA-AS H,et al. Signal shaping and modulation for optical wireless communication[J].Journal of Lightwave Technology,2012, 30(9):1319-1328.

[5]孫新鳳，張健，王新娜，等.LED點陣書寫顯示屏的系統設計[J].電視技術，2010，34(S1)：121-123.

[6]吳瑕.基于LED的室內可見光通信系統的研究與設計[D].武漢：華中師范大學，2014.

[7]駱漢光，何志毅，何寧.大功率LED無線光通信的高速脈沖調制技術研究[J].光通信技術，2013，37(4)：43-46.

責任編輯：胡德明

An Experimental Research on Point-to-Point Communication of LED Visible Light Based on 51 Microcontroller

Zhang Xiaohang,Wu Xiangnong,Zhou Ming,Qiao Yinxue
(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Visible light communication technology is a new kind of bandwidth wireless communication technology,which uses light-emitting diode (LED)as light source,the information transmitted by highspeed flash signals carried by white LED.According to the theory of the visible light communication and based on 51 single chip microcomputer,a design scheme of LED visible light communication system is put forward.The system uses the communication mode based on point-to-point directional line-of-sight link. The transmitter chooses OOK-NRZ pulse modulation mode to modulate the LED array and transmit signals, and the receiver demodulates the received signal through the light intensity modulated-direct detection technology,and then the received information will be displayed on the 1602 character-type LCD.In experiments,system can send,receive and display basic English characters within the range of 30cm.The experimental results indicate that the system is able to achieve the function of simple data communication through visible light,with the advantages of low cost,low power consumption and small in size.

visible light communication;51 microcontroller;LED;LCD1602;simple data communication

TN929.1

A

1672-447X(2016)05-0013-05

2016-05-27

上海市自然科學基金（13ZR1430400）；上海市教育委員會科研創新項目（14YZ070）

張笑航(1992-)，安徽黃山人，上海師范大學，碩士研究生，研究方向為光纖傳感，可見光通信；

武向農(1970-)，安徽合肥人，上海師范大學信息與機電工程學院副教授，研究方向為光纖通信，光纖傳感，光載無線通信；

周明(1990-)，安徽六安人，上海師范大學，碩士研究生，研究方向為光纖傳感與解調；

喬印雪(1992-)，新疆烏魯木齊人，上海師范大學，研究方向為可見光通信。