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LED可见光通信发射与接收系统设计

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李力丁威

摘要：LED可见光作为一种绿色环保、低功率、高亮度的照明光，在当今人们的日常生活和工作中得到了广泛的应用。根据光通信的基本原理，设计出以STC89C52RC单片机为核心的LED可见光通信系统。系统采用单片机作为LED光信号的发射和接收模块，通过对LED光信号的直接调制和检测，并利用串口调试软件辅助实现终端设备间的LED光通信，最终实现了PC间的简单单工数据通信。

关键词：可见光通信；LED；STC89C52RC

1引言

可见光通信作为一种新兴的无线通信技术具有较大的研究和应用价值，LED可见光通信利用高速闪烁的光信号实现信息的调制和传输，通过光敏检测技术实现信号的光电转换，最终完成信息的发送和接收。

当前移动互联网产业蓬勃发展，人类进入了对信息量需求巨大的“大数据、云计算”时代，无线射频通信是目前正在使用的重要无线通信技术。射频无线通信广泛用于生产、生活的各个领域，是目前最成熟的通信技术，已经在很大程度上改变了人们的生产和生活习惯。在未来的无线通信发展过程中，射频通信仍将继续起着重要作用。

与射频通信相比，基于LED的可见光通信具有必威体育官网网址性强、对人体无害、无电磁干扰辐射等优点。可见光通信技术是基于环保节能的LED照明光源的无线光通信技术，随着科技的飞速发展和社会的不断进步，结合了LED照明和通信的无线光通信技术，必将凭借其自身的独优势得到深入广泛的应用。

2系统原理分析

在可见光通信系统中，在信号发生模块利用STC89C52RC单片机驱动发射电路的LED灯阵高频率闪烁发射不同信号对应的二进制代码；在信号接收处理模块利用STC89C52RC单片机处理光敏二极管检测到的二进制闪烁信号，经过译码将对应的信息经串口发送给接收端，显示为可视的原始信号，上述过程主要基于STC89C52RC单片机的点对点异步通信和点对PC的串行异步通信，整个系统的基本原理如图1所示。

2.1单片机串口异步通信工作原理

串口通信（SerialCommunications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。

本系统基于单片机双机串行异步通信原理，将所发信号转换为对应的二进制代码，并以此驱动LED灯阵高频闪烁，双机之间不需要连接可视化介质作为通信媒介；避免了现有机间通信采用导线信道的缺点，而且可以实现一点发射，多点接收的效果，突破了以往实物信道通信过程的瓶颈，具有较高的通信效率和较低的损耗功率。

2.2单片机与PC间串行异步通信工作原理

单片机与PC通信同样基于串行异步通信原理，PC信号发射端借助串口调试软件将信息输入系统信息发送端，随后信号经由PC传向通过USB转串口模块相连的单片机，单片机读取缓冲区的二进制代码，并以此驱动LED灯阵高频闪烁，接着持续完成单片机双机间通信，信息接收端通信过程则与之相反。

2.3单片机最小系统

最小系统概念：能都使单片机硬件电路正常工作的单元电路系统叫做最小系统；

最小系统构成：复位电路、时钟电路、存储器访问路径控制、ISP下载接口、电流源、显示电路；

本系统中单片机最小系统工作原理：在最小系统的基础上分别在信号发射板和接收板上增添各自的外围调制驱动电路，并向单片机内导入对应的程序，利用最小系统及外围电路的组合驱动单片机运行程序并由此实现相应的功能。

3系统组成设计

系统组成分为两个基本模块：发射板和接收板，系统组成原理框图，如图2所示，整个系统构建设计如下。

3.1发射端PC机

用于系统终端输入和显示发射端的发送信息。

3.2发射板USB转串口驱动模块

PC机与单片机间通信的桥梁，连接PC机和MCU控制模块，用于将发射端串口调试软件的输入信息传送到MCU控制模块。

3.3发射板MCU控制模块

MCU模块为超强抗干扰、高速、低功耗的STC89C52RC单片机最小系统控制模块，能利用PC机中送来的数据控制和驱动lED驱动电路。

3.4LED驱动模块

该模块主要由MCU外围的LED驱动电路和LED阵列光源组成。相关研究显示，环境光照度大于1501ux时，外界环境光对传输会形成干扰，当环境光照度小于此门限值时且光源足够强时，环境光的干扰基本可以忽略哺，因此系统光源采用直径5mm的3X8LED灯阵列，利用MCU模块传送的二进制信号值，采用光强度调制将电信号转换为光信号，实现调制并发送出可见光数据。LED驱动电路中，考虑到运算放大器的工作频率比较低，而单一晶体管可以完成百兆赫兹到吉赫兹级工作，所以系统中LED阵列驱动器件选择单一晶体管。

3.5无线光通信信道

如图3所示是无线光通信系统的线性基带传输模型。