基于大功率白光led的可见光通信

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1、基于大功率白光LED的可见光通信宋其岩，赵阳，刘福有，杨婧（山东师范大学物理与电子科学学院，山东济南250358）摘要：该设计是基于STM32的大功率白光LED可见光通信系统，白光从发送到接收传输距离最高可达5m。可传输频率为300Hz~8kHz的模拟信号及高保真音频，波特率可达1.6Mb/s，输出信号在示波器上无明显失真。该系统具备双信道通信，两路信道同时均可传输300Hz~8kHz的模拟信号。由从站LCD12864液晶显示当前单信道通信或双信道通信。模拟信号经传输后在示波器上显示无明显失真。模拟信号为8倍采样，音频为

2、6倍采样，采样信号经上拉放大后由12位A/D转换器采样，经过△压缩后由主站通过白光LED发射。接收站通过光电接收管接收信号后经解码、D/A转换，转换为模拟信号，模拟信号经滤波放大后输出至示波器或音频放大器。.jyqken大学的HanyElgala主张采用强度调制方法对LED进行调制，同样提出了正交频分复用技术用于可见光通信。南洋理工大学的DamonCU。该芯片操作简单，库函数丰富，价格低廉，成本低，易控制，但RAM仅为4KB，处理速度不快，难以用在精密控制、精密测量以及高速大数据的传输中。方案二：MSP430，16位MC

3、U。该芯片低功耗，节能，具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor），适用于便携式仪器仪表中，主频为8MHz，无法倍频，故处理速度相对较慢，I/O口翻转速度较难满足发射速度。方案三：STM32增强型，32位MCU。STM32系列基于高性能、低成本、低功耗的要求专为嵌入式应用设计的ARMCortex?M3内核。增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。内置32~128KB的闪存，SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率为72MHz时，I/O可以满足音频发射速

4、度，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。综合以上分析选择方案三。1.2A/D转换/D/A转换的论证与选择方案一：STM32内置A/D转换/D/A转换，无需复杂的外围电路，无需额外提供电源，使用方便，实践表明，使用片内转换器，经白光传输的信号噪声较大，如图1所示。综上分析选择方案二。1.3功放电路方案一：LM386，是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机中。方案二：NE5532，电压适应范围非常

5、宽，从±3~±20V都能正常工作。声音特点总体来说属于温暖细腻型，驱动力强，但高音略显毛糙，低音偏肥，而且价格比较贵。方案三：AD827，此芯片增益带宽达50MHz，SR达到300V/μs，高频、低频音质非常好无明显失真。且在±5V的供电下仍有优异的性能。价格昂贵，用在此系统中不经济。综上分析选择方案一。1.4光电器件的选择方案一：650nm激光接收头。当今主流照明白光LED为“单色光+荧光粉”的形式。荧光粉激发出大量红光，红光波长为622~770nm，激光接收头的接收波长约为650nm，这样能消除大部分外界光源的干扰，

6、能提升系统的抗干扰能力。而且激光接收头价格低廉，接收频率高，操作简单。方案二：半导体光电传感器。接收光线波长较广，对可见光灵敏度高，选择性较差。系统传输速率高达1.6Mb/s，而高速器件的价格较高，不利于成本控制。综合以上分析，选择方案一。2主要单元电路2.1音频功放电路由于D/A转换后的模拟信号只有几十mV，人耳听不清，所以要加一个放大电路，将电压放大，驱动喇叭，电容C4作用为隔直流，还原交流信号，隔离采样电路中加法器上拉的直流电压，如图3所示。2.2电源电路LM2596开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够

7、输出3A的驱动电流。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。计算公式为：3流程图系统整体流程图，如图5所示。程序流程图如图6所示。程序编码流程图如图7所示。4相关参数计算说明4.1带通滤波器人耳听到的声音频率范围为20Hz~20kHz，所以带通应为20Hz~20kHz。高通滤波部分为使信号衰减小，所以R1应尽量大，选R1为68kΩ，输入音频信号应不高于200mV，所以衰减的信号在μA级，由f=1(2πRC)知，此时C=1(2πfR)=0.1μF。

8、低通滤波部分为了保持信号，所以R2应尽量小，选为680Ω，由f=1(2πRC)知，此时C=1(2πfR)=0.02μF，带通滤波如图8所示。5系统调试5.1硬件调试先在面包板上搭建功放电路，然后由播放音频，调试外围元件参数，直到音频无失真为止。调整好参数后焊接电路，进行联调。由于A/D转换只能采集正电压，然后滤波，根