基于ARM無線光傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、第一章 緒 論1.1 研究背景及研究意義LED通信(LED Communications)同時具有無線通信和光通信的特征，指的是把LED當(dāng)做信息發(fā)射源。LED通訊的產(chǎn)生緣于半導(dǎo)體行業(yè)和通信技術(shù)的的飛速發(fā)展。現(xiàn)在有各式各樣的照明設(shè)備，比如熒光燈，白熾燈等，LED與之相比在光通信有以下幾個方面的優(yōu)勢。1.與其他的照明設(shè)備相比，LED有較高的功率，這在光通信正是作為發(fā)射光源所需要的。2.LED的光強度可以在速度很高下進行調(diào)制，LED的調(diào)節(jié)速度甚至可以達到us量級，并且其可調(diào)幅度大，而在通信中調(diào)節(jié)速度是影響通信的一個至關(guān)重要的因素;而熒光燈的亮度基本上不可以調(diào)節(jié)，對于白熾燈可以通過控制兩端電壓來控制亮

2、度，但是有一個較為嚴(yán)重的缺點是它在發(fā)光同時會發(fā)出很高的熱量，并且亮度調(diào)節(jié)速度也最高達到ms量級，滿足不了在光通信的需求。3.LED的光譜中心波長可以根據(jù)所需要的波長而進行控制，可以通過改變工藝來達到改變波長的目的，但是白熾燈和熒光燈的波長是不可以通過工藝來人為的進行改變，它們的中心波長是固定的。 4.相比于其他的光照設(shè)備來說，LED只需采用低電壓下的恒壓源或者恒流源，而像白熾燈就要采用高壓交流電源，就不可以作為調(diào)制信號的光源。綜上可以看出，現(xiàn)階段的照明條件下，相比于其他的照明設(shè)備LED更適合作為光通信得光源，LED在光通信的廣泛使用，也使光通信的新領(lǐng)域變得欣欣向榮，在以后也許只需要點亮一個LE

3、D就可以用接收數(shù)據(jù)，可以預(yù)見的是LED通信在未來的通信行業(yè)將占有不可動搖的地位。1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1國際研究現(xiàn)狀自英國愛丁堡大學(xué)的教授哈拉爾德·哈斯發(fā)明LED通信后，許多的國家從此將LED通信技術(shù)作為一項重要的研究課題，并且在2003年，對于LED可見光通信國際學(xué)會專門做了一次研討會，在此后包括日本在內(nèi)的許多發(fā)達國家對LED通信技術(shù)投入了大量的人力物力，日本的“可視光通信聯(lián)盟”，美國的“智能照明計劃”等，更是讓可見光通信進入大眾化的全新視野。在2008年，歐盟設(shè)置家庭吉比特接入計劃(OMEGA)，這項計劃結(jié)合了可見光通信技術(shù)，在信息速率更是達到了1Gbps。2013年，德國海因

4、里希赫茲研究院、英國愛丁堡大學(xué)與牛津大學(xué)等國際機構(gòu)更是將可見光通信的帶寬擴展為180MHz，實時速率512Mbit/s，離線速率10Gbit/s的驚人的數(shù)字。1.2.2我國的研究現(xiàn)狀在我國可見光通信是近些年剛發(fā)展起來的一項技術(shù)，雖然我國的LED通信技術(shù)比起發(fā)達國家起步較晚，但也在許多的科研人員不懈努力下取得了一些驕人的成績，比如信息工程大學(xué)、北京大學(xué)和清華大學(xué)帶寬速率提高到了與國際同步的先進水平。近些年來國內(nèi)的無線可見光技術(shù)更是取得了驚人的發(fā)展。在2014年8月28日，在廣州舉辦的全球可見光通信大會，這次會議標(biāo)志著我國可見光通信的研究與產(chǎn)業(yè)化進入與發(fā)達國家一樣的快速發(fā)展行列。因此有望通過戰(zhàn)略聯(lián)

5、盟制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、專利、專用IC、單元系統(tǒng)和通信協(xié)議。在某一項新的技術(shù)誕生時，人們通常會對這項新技術(shù)的認識不足，開始的時候也許只是會做一些基礎(chǔ)的改變，而不能進行大膽創(chuàng)新。 就像電話的發(fā)展，從最初的人們只是想可以進行遠距離的交談傳遞消息，現(xiàn)在手機的功能不僅僅局限于此了，“微信，手機游戲、視頻、支付”等這些功能也許連最初發(fā)明手機的人也沒想到吧。通訊技術(shù)進一步發(fā)展成熟，光通信系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模也將會繼續(xù)壯大，呈現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域。我們堅信，從產(chǎn)生、應(yīng)用、發(fā)展、擴充到再發(fā)現(xiàn)、再發(fā)展，這項技術(shù)的應(yīng)用將出現(xiàn)我們目前想象不到的結(jié)果。第二章 LED通信技術(shù)2.1 LED的結(jié)構(gòu)與發(fā)光原理LED的核心部件就是一個半導(dǎo)體晶

6、片，形成PN結(jié)之前，費米能級進入導(dǎo)帶和價帶。選用同種材料，導(dǎo)致N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的禁帶寬度基本相同。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)，由于電子空穴濃度差，電子由N區(qū)向P區(qū)擴散，而空穴由P區(qū)向N區(qū)擴散。在PN結(jié)外加一個正向偏壓（P正N負），P區(qū)的空穴大量的注入N區(qū)，N區(qū)電子大量的注入P區(qū)，這樣，在P區(qū)和N區(qū)靠近界面的地方電子和空穴復(fù)合發(fā)出光。PN結(jié)在正向偏置時，N區(qū)的電子與P區(qū)的空穴克服內(nèi)建電廠的作用，越過結(jié)區(qū)，此時擴散運動超越漂移運動，從P到N區(qū)產(chǎn)生凈電流。電子和空穴在擴散運動中產(chǎn)生復(fù)合作用，釋放出光能，實現(xiàn)發(fā)光。這種發(fā)光是電致發(fā)光，是一種自發(fā)輻射，發(fā)出熒光，這就是發(fā)光二極管的工作原理

7、。圖2.1 常見LED燈珠的結(jié)構(gòu)圖圖2.2 LED原理圖2.2 LED的物理特性伏安特性、調(diào)制特性和電光特性是LED三個基本的物理特性。下面是對LED的三個特性的重點分析。LED伏安特性：LED伏安特性是指電壓隨著電流變化的關(guān)系特性曲線，LED的伏安特性如下圖所示。圖2.3 LED伏安特性曲線通過圖中可以看到，一般伏安曲線包括正向特性曲線與反向特性曲線，LED的正向特性有死區(qū)，超過死區(qū)電壓時，電流隨著電壓的增加也在變大?？梢詮膱D上明顯看到在反向曲線上較為陡峭，在電壓超越某一電壓值將會指數(shù)的增加，這就是擊穿現(xiàn)象，而這個電壓值即為LED的閾值電壓。通?？捎梅聪驌舸╇妷?、反向電流、正向電壓這三個參數(shù)

8、來對伏安特性曲線描述。調(diào)制特性:就是將發(fā)送的信息通過電壓作用在LED上發(fā)射相應(yīng)的光信號的特性。LED具有非常短的響應(yīng)時間。也就是說LED 有相當(dāng)高的調(diào)制頻率，最大調(diào)制速率其實就是我們所熟知的調(diào)制帶寬。通常將調(diào)制帶寬的大小來描述調(diào)制能力大小。電光特性：電光轉(zhuǎn)化特性（P-I）指的是LED注入電流的大小和光輸出功率之間的關(guān)系。半導(dǎo)體發(fā)光二極管又分為直流輸出功率和秒沖輸出功率，所以可以看出功率這個參量對發(fā)光半導(dǎo)體來說是一個重要的參量。圖2.4 LED電光轉(zhuǎn)化特性曲線在光通信技術(shù)中對調(diào)制光源的兩個基本要求：（1） 足夠的光功率輸出;（2） 可靠性高、壽命長；2.3 LED發(fā)射技術(shù)的研究 2.3.1 LE

9、D驅(qū)動調(diào)制技術(shù) LED驅(qū)動調(diào)制技術(shù)有模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種方式，在電子通信發(fā)展的初期到現(xiàn)在模擬調(diào)制都有較廣范圍的應(yīng)用，在圖2.5所示的是模擬調(diào)制技術(shù)的原理。圖2.5 模擬調(diào)制技術(shù)原理一般情況下，以下圖2.6是兩種常見的模擬調(diào)制電路圖，圖中a是含有達林管的驅(qū)動電路，圖b是一種常見的模擬調(diào)制電路。圖a比起圖b的調(diào)制方式有信號頻率高和輸入阻抗高等優(yōu)點。 a b圖2.6常見的模擬調(diào)制電路數(shù)字調(diào)制電路:數(shù)字調(diào)制就是利用數(shù)字信號輸出高低電平來完成基本的數(shù)字信號輸出，這種數(shù)字調(diào)制方式重要的是解決高低電平變化的頻繁程度的問題，那么如果想要讓二極管輸出一個脈沖信號就要使接二極管輸入為高電平，此時發(fā)射出一個光脈沖

10、。下圖表示的是數(shù)字調(diào)制的原理圖：圖2.7 數(shù)字調(diào)制原理圖數(shù)字調(diào)制方式，將數(shù)字電平的高低理解為一個開關(guān)的閉合和打開，采用下圖2.8所示的共射極驅(qū)動電路，從下面的電路圖中可以看出發(fā)光二極管的熄滅和發(fā)光是由三極管的導(dǎo)通和截止來決定，當(dāng)輸出I/O口為低電平時，三極管截止，那么發(fā)光二極管也不會發(fā)光。輸出I/O口為高電平時，三極管導(dǎo)通，此時發(fā)光二極管發(fā)出光脈沖。圖2.8 共發(fā)射極調(diào)制電路數(shù)字通信容易與電腦結(jié)合，并且數(shù)字信號編碼操作更容易，在可靠性上數(shù)字信號相比于模擬信號的可靠性高的多，并且在單片機上更容易實現(xiàn)，因此和模擬調(diào)制比起來，在此次設(shè)計中采用數(shù)字調(diào)制更方便和高效，只需要操作單片機的某一輸出端口的高低

11、電平就可以調(diào)制信號信息。本章小結(jié) 在本章中主要通過 LED的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理、光源特性、發(fā)射調(diào)制技術(shù)等幾個方面介紹LED通信技術(shù)，多個角度的分析其在通信的作用和基本實現(xiàn)的幾個方法，從基礎(chǔ)上了解其本質(zhì)特征，通過這幾個方面的介紹為后面的工作打下了基礎(chǔ)。第三章 基于ARM的光無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計本次設(shè)計的基本思想就是使用兩塊STM32F103RBT6的開發(fā)板，其中的一塊用于發(fā)射信息，主要負責(zé)將發(fā)射的信息用來調(diào)制LED的光脈沖，另一塊用于接收信號，通過光接收器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后在通過串口顯示出來。3.1基于ARM光無線傳輸系統(tǒng)框圖LED光路信號調(diào)制模塊STM32F103RBT6光接收信號解調(diào)模塊塊S

12、TM32F103RBT6圖3.1 基于ARM的光無線系統(tǒng)的設(shè)計框圖系統(tǒng)先是將電腦上程序中的數(shù)據(jù)通過程序下載在STM32F103RBT6中去，然后在通過對二進制基帶信號進行編碼調(diào)制得到調(diào)制信號。本次的設(shè)計中系統(tǒng)采用38KHz的載波頻率，將調(diào)制信號來控制I/O端口來控制LED的光脈沖信號，通過光路系統(tǒng)，由光接收器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，解調(diào)發(fā)送到STM32中去，在由程序?qū)崿F(xiàn)在串口助手上顯示接收到的數(shù)據(jù)。3.2光路傳輸系統(tǒng)的設(shè)計 在無線傳輸光系統(tǒng)中傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，一方面主要根據(jù)發(fā)射端是不是定向的，若發(fā)射端是定向的，即若是平行光向某一個特定的方向傳輸光信號，這樣發(fā)散角非常小，那么將這種發(fā)射端稱為定向

13、發(fā)射機。反之如果采用的發(fā)射和接收都具有較大的發(fā)散角，沒有特定的傳輸方向，那么這種傳輸方式就是非定向式傳輸。另一方面可能存在混合的類型，即發(fā)射是定向的，接收是非定向的，或者發(fā)射是非定向的而接收是定向的。在本次設(shè)計中采用的是定向的發(fā)射和接收。圖3.2光路傳輸系統(tǒng)設(shè)計原理圖光路系統(tǒng)前面的LED發(fā)出光經(jīng)過凸透鏡發(fā)射出平行光，傳輸一段距離后經(jīng)過透鏡，由透鏡的匯聚作用，聚光照射到光探測器上，因為此光路可以使光脈沖傳輸時為平行光，可以有效的減少LED的發(fā)散角，使其發(fā)出的光能夠盡可能的最大距離的傳輸，使系統(tǒng)的傳輸距離能夠在1M內(nèi)穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)。3.3 MDK uVision4 軟件開發(fā)環(huán)境RealView M

14、DK（Microcontroller Development Kit）是ARM開發(fā)軟件，包含 KeilC編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實時內(nèi)核等組件。MDK可以為ARM7、ARM9、Cortex-M3的微控制器進行程序開發(fā)。此軟件有比較強大的程序編輯器以及各種開發(fā)工具。Keil µVision 4在全世界有很多的客戶，在ARM工程師中80%以上都在使用。在國內(nèi)使用過單片機的幾乎人人都知道Keil µVision，這個軟件如上面所述具有強大的功能能夠?qū)?位、16位MCU開發(fā)工程師順利的過渡到32 位ARM 的應(yīng)用開發(fā)。µVision 4 擁有和VCC+類似的界面系統(tǒng)，對

15、于剛接觸學(xué)習(xí)開發(fā)的人員來說，這個開發(fā)軟件容易學(xué)習(xí)，操作簡單。其支持匯編、C+、Java等多種語言，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有強大的功能，是應(yīng)用最早的嵌入式開發(fā)工具，因此很多開發(fā)ARM應(yīng)用的工程師都十分喜歡使用它。圖3.3 MDK uVision4 軟件開發(fā)環(huán)境界面3.4 STM32F103R8T6的介紹STM32是專門應(yīng)用于ARM Cortex內(nèi)核的一款高性能、低成本、低功耗的開發(fā)板，現(xiàn)在的STM32的時鐘頻率達到了72MHz。STM32F103R8T6是ST公司出產(chǎn)的一款適應(yīng)于多個場合的加強型處理器。STM32不僅僅可用于家用電器，也可以用來醫(yī)療設(shè)備、游戲主控芯片以及各種手持電子設(shè)備。同時也

16、可以用于報警設(shè)備和通信設(shè)備等。圖3.4 STM32的時鐘系統(tǒng)圖STM32 有5個時鐘源分別為HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。 HIS是一個精度不高的內(nèi)部時鐘。它的頻率為8MHz。 HSE是一個高速的外部時鐘，可以連接外部晶振，時鐘頻率范圍在4MHz-16MHz之間。 LSI是一個由RC振蕩器提供的低速內(nèi)部時鐘，頻率可以達到40KHz。 LSE外部時鐘，頻率為32.768kHz的石英晶體所提供。 PLL叫做鎖相環(huán)倍頻輸出，時鐘來源有內(nèi)部高頻時鐘HIS的兩分頻，或者為外部高速時鐘HSE或者其二分頻。Systick定時器相比較于普通的時鐘來說是更為精準(zhǔn)的時鐘， Systick就是一

17、個放在了NVIC中的定時器，主要的目的是為了給操作系統(tǒng)提供一個硬件上的中斷Systick定時器就是系統(tǒng)滴答定時器，這是一個24位的定時器，從轉(zhuǎn)載的初值開始倒計時，直到0時又重新裝載初值如此反復(fù)。在使能位不清0的情況下，即使在休眠狀態(tài)下也不會停止計時。 在本次設(shè)計中因為信息的接收和發(fā)射在時鐘要求時鐘精度高，特別是在發(fā)射和接收信息時，發(fā)射和接收信息“1”或“0”就是檢測高電平持續(xù)時間，所以在時鐘選擇上采用的是系統(tǒng)時鐘Systick。3.5光發(fā)射端設(shè)計的具體方案3.5.1光發(fā)射端系統(tǒng)圖3.5發(fā)射端框圖一般發(fā)射信息用0或者1來表示，所以可以直接編碼對輸出端口進行高低電平的開關(guān)操作，在LED通信是需要的

18、是大功率的LED燈珠，只有大概率的LED 才能滿足通信和照明的雙重要求，所以要驅(qū)動電路來驅(qū)動LED。本次設(shè)計采用數(shù)字調(diào)制驅(qū)動方式。圖3.6發(fā)射端驅(qū)動電路在STM32單片機上直接對PB.12的I/O口進行高低電平的置位操作，如果PB12是高電平時三極管導(dǎo)通，此時LED導(dǎo)通發(fā)出光脈沖，當(dāng)PB12為低電平時，三極管截止，此時不發(fā)出光脈沖。3.5.2信息源的串口通信 在本系統(tǒng)中發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是從計算機中的程序中直接賦值實現(xiàn)，然后通過串口通信將這段32位的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給STM32處理，將這段數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱恕?”“1”的電平信息，下圖為原理圖。圖3.7信息源串口通信原理1.主控芯片MCU控制了串口通信

19、，主要有晶振電路、復(fù)位電路、串口電路和按鍵電路四大電路，在本次設(shè)計中系統(tǒng)采用的STM32F103RBT6單片機。系統(tǒng)中使用的是串口1 在APB2ENR 寄存器的第14 位，由外設(shè)時鐘提供串口時鐘。2串口1 的復(fù)位是APB2RSTR 寄存器的第14 位的置位來實現(xiàn)的。向該位置1來進行串口1的復(fù)位，置0表示結(jié)束復(fù)位。3串口波特率設(shè)置。不同的串口有不同的波特率寄存USART_BRR波特率通過以下的計算： 上面公式可以計算串口時鐘，包含PCLK1 的串口USART2、3、4、5，PCLK2 的USART1；USARTDIV 是一個無符號定點數(shù)。從USARTDIV 的值可以得到串口波特率寄存器USART

20、1->BRR 值。4串口控制，STM32 的每個串口都能夠由3個控制寄存器USART_CR13來控制，一般我們都是通過這三個控制寄存器來配置。5數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。寄存器USART_DR 中有TDR 和RDR，在很多的通信中常將USART_DR設(shè)置為接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。6串口狀態(tài)，可以獲取USART_SR寄存器的狀態(tài)值間接的得到串口狀態(tài)。在本系統(tǒng)中用到串口1，而模塊和電腦是通過I/O口連接的，若要使用芯片的串口，那么就需要協(xié)議的變化。我們選用了控制芯片。用于實現(xiàn)接口和標(biāo)準(zhǔn)通信裝置之間的連接。只需把它連接電腦主機上，就實現(xiàn)了器件的通信，圖是其引腳框圖。圖3.8 PL2303引腳圖如下圖所示串口連接

21、方法，單片機的主控芯片的I/O口PA.9和USART1-TX管腳是同一個引腳，管腳PA.10和USART1-RX是同一管角，所以在TXD直接連接到了PA.9，RXD直接連接到了PA.10，如下圖所示。圖3.9串口芯片模塊電路圖本文中的串口通信部分完成的功能是將數(shù)據(jù)傳送到計算機的串口顯示上，程序中的32位的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片上，將這個32位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為0或者1二進制信息，然后通過調(diào)制電路的調(diào)制，由LED發(fā)射出調(diào)制脈沖，在計算機上顯示和接收的數(shù)據(jù)使用到串口助手這個軟件。3.5.3發(fā)射碼的數(shù)據(jù)格式和發(fā)射MDK調(diào)制編碼本次系統(tǒng)設(shè)計中將采用的相似于NEC的編碼方式,，NEC協(xié)議是八位位地址和八指令長度，

22、不同的占空比表示數(shù)據(jù)“1”與“0”，采用調(diào)制方式是PWM脈沖調(diào)制方式進行調(diào)制信號，一次的信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式有四個部分組成，分別為引導(dǎo)碼、用戶碼、數(shù)據(jù)碼和數(shù)據(jù)碼反碼。數(shù)據(jù)反碼有用來數(shù)據(jù)的檢錯的功能。圖3.10一個NEC碼對應(yīng)波形和數(shù)據(jù)格式上圖中可以看到起始碼中開始是9ms的低電平和4.5ms的高電平，而發(fā)射時9ms的低電平起始并不容易捕捉，所以采用4.5ms的高電平作為起始標(biāo)志，即為當(dāng)有一個4.5ms的高電平時表示數(shù)據(jù)傳輸開始。采用載波頻率為38K來傳輸數(shù)據(jù)，也就是在1S中傳輸38K次周期，可以算出一個周期T的時間T=1000000/38000=26.32us，而在數(shù)據(jù)傳輸時半個周期時有一個中斷

23、，又一次模擬的高低電平翻轉(zhuǎn)的變化,所以一次中斷時間為13.16us，那么9us的低電平計數(shù)次數(shù)為9000us/13.16us=684。所以等待684就是等待9ms的低電平，同理4.5ms的高電平中斷次數(shù)為4500us/13.16us=342次。而在數(shù)據(jù)傳輸方面用PPM脈沖位置調(diào)制方式，其原理就是采用某以特定的高電平持續(xù)時間或者特定的低電平時間來表示發(fā)射的數(shù)據(jù)是0還是1，在此次設(shè)計將持續(xù)時間0.56ms時間的高電平傳輸代表傳輸數(shù)據(jù)0，持續(xù)傳輸時間為1.69ms的高電平時代表傳輸數(shù)據(jù)1。數(shù)據(jù)傳輸0或1的實現(xiàn)原理：圖3.11數(shù)據(jù)傳輸原理圖在發(fā)射端設(shè)定系統(tǒng)的每一次中斷時間13.16us，那么如果要表示

24、時間為持續(xù)時間0.56ms的高電平（表示傳輸數(shù)據(jù)0），則中斷次數(shù)為560us/13.16us=42.55次。同樣的如果表示持續(xù)時間為1.69ms的高電平（表示傳輸數(shù)據(jù)1）中斷次數(shù)為1690us/13.16us=128.419次。從圖中可以看到無論傳輸數(shù)據(jù)1還是數(shù)據(jù)0都需要經(jīng)過傳輸0.56ms的低電平，所以要先等待42次中斷后才能計算傳輸高電平時間，來傳輸數(shù)據(jù)。采用以下的程序?qū)崿F(xiàn)void jg_fs_Begin(u32 dt)u8 i=0;flag=0;/初始為低js_count=683;/683自減 形成9ms的低電平flag=1;while(js_count);/等待9msjs_count=

25、341;flag=0;while(js_count);/等待4.5msfor(i=0;i<32;i+)js_count=42;/每一位信號都需先發(fā)送0.56ms的低電平flag=1;while(js_count);/等待if(dt&0x80000000)=0)/檢驗最高位 是否為0js_count=43;/0.565高電位 組成發(fā)送“0”elsejs_count=128;/1.69ms的高電位 組成發(fā)送“1”flag=0;while(js_count);dt<<=1;js_count=20;/0.263ms載波 表示結(jié)束flag=1;while(js_count);f

26、lag=0;與其它的調(diào)制方式比起來，相位偏移調(diào)制是較簡單的。兩種不同的相位來表示不同的信息，在此系統(tǒng)中將相反的相位分別來表示數(shù)據(jù)“1”和“0”，即將一種載波來代表發(fā)送的是1，那么相反的相位表示的是0。我們通過分析和對比，可以從程序中看出本次設(shè)計中采用的是開關(guān)鍵控來調(diào)制方式。這種調(diào)制方式的帶寬并不是很大，但考慮到實際操作簡單。且無需信息符號的同步。但是此調(diào)制方式的不可避免的缺點是誤時隙率較大，抗干擾能力較低，并且功率利用率較差。若是采用正交脈沖位置調(diào)制那么將會有效的減少碼間串?dāng)_的影響。脈沖位置調(diào)制有很好的實時性，它所需要的功率也不會太高，頻帶利用率和效率也比較好，所以在現(xiàn)在很多的調(diào)制方式都選擇脈

27、沖位置調(diào)制。但是其傳輸容量以及帶寬利用效率都不是很理想，在接收時候要經(jīng)過時鐘同步和符號同步的處理。此次設(shè)計釆用直接把程序中得到的二進制信息碼用來轉(zhuǎn)化為脈沖位置信號，然后經(jīng)過驅(qū)動電路來發(fā)射脈沖位置光脈沖，而不是先產(chǎn)生波形然后再用該信號驅(qū)動。3.6接收端的具體設(shè)計方案3.6.1 接收端系統(tǒng)圖3.12接收系統(tǒng)框圖· 接收端具體實現(xiàn)是通過光接收器VS1838B實現(xiàn)的光電轉(zhuǎn)化，將接收的信號通過放大、均衡、比較將接受的高低電平信號通過I/O發(fā)送給STM32通過程序解調(diào)出信號并通過串口顯示在電腦上的串口助手上，接收到發(fā)送信息。光接收器VS1838B：經(jīng)過光傳輸系統(tǒng)后的光信號被光探測器轉(zhuǎn)化為電信號。

28、光探測器的工作原理是半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng),吸收光子的能量產(chǎn)生光生載流子。光生載流子在內(nèi)建電廠的作用下產(chǎn)生電流信號。完成了由光信息向電信息的轉(zhuǎn)化。 在VS1838B中有專門為它設(shè)計的IC,是它具有寬角度與長距離的接收能力，并且有較強的抗干擾能力與在低壓條件工作的優(yōu)勢，所以選擇它作為光接收電路；該接收器內(nèi)部含有放大路，下面是原理圖.圖3.13 VS1838B原理圖3.6.2接收信號解調(diào)解調(diào)流程圖如下 將光接收輸出接到STM32的I/O口PA.1引腳,將PA1管角設(shè)置為上拉輸入模式，觸發(fā)模式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，按照傳輸協(xié)議進行解調(diào)，當(dāng)下降沿來臨時，觸發(fā)成功，開始解調(diào)數(shù)據(jù)，具體的流程見下面的流程圖。開

29、始接數(shù)據(jù)是否檢測到了同步信號 否開始接收數(shù)據(jù) 是 是是否接收到32位 否存儲數(shù)據(jù)并設(shè)置表示為Flag為1 結(jié)束圖3.14解調(diào)流程圖3.6.3接收原理和接收端MDK程序進入程序中斷后，系統(tǒng)檢測是否接收到同步信息，如果接收到同步信息，那么將進行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸。此時，根據(jù)脈沖位置判斷信號“1”和信號“0”，當(dāng)接收一個完整的信號時，即接收的數(shù)據(jù)位是否為32位，若接收到了32位，說明一個字符接收完成。將接收數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)寄存器，同時將接收標(biāo)志位重置，這樣等中斷結(jié)束。判斷終端接收的數(shù)據(jù)是否完成。如果完成，發(fā)送結(jié)束符，將所有接收到的32數(shù)據(jù)回傳給電腦。如果不是，則繼續(xù)讀取中斷程序得到的字符。主程序根據(jù)接收標(biāo)志

30、位來處理接收到的信號，并把它回傳給電腦，在電腦的串口助手上通過串口輸出打印函數(shù)顯示出接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容。具體的回傳流程見下圖。開始接收數(shù)據(jù)是否檢測到同步信號 否 是接收數(shù)據(jù)所接收的數(shù)據(jù)是否為32位 否 是存儲數(shù)據(jù)，并將標(biāo)志為重置結(jié)束圖3.15中斷解調(diào)流程圖 圖3.16 數(shù)據(jù)接收原理圖上圖不僅是發(fā)射的原理圖也是數(shù)據(jù)接收原理圖，因為接收是根據(jù)發(fā)射的數(shù)據(jù)的電平特點進行解碼的。編碼原理：首先定一個時間變化，使其每增加一個數(shù)有20us的時間，用以下計時函數(shù)來實現(xiàn)這個功能。u8 HW_jssj(void)u8 t=0;/t max = 250while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,

31、GPIO_Pin_1)=1)/高電平t+;delay_us(20);/每加1t,有20us的延時if(t>=250)return t;/超時溢出return t;/正常返回本次設(shè)計接收端以STM32的PB1來作為輸入，因為起始信號中有一個4.5ms的高電平持續(xù)，所以首先接收其實信號，因為信號傳輸過程中有延時，所以我們將以5ms作為最大高電平起始時間，每次t增加1，則時間過去20us，所以t增加極限為5000us/20us=250，在這個時間段內(nèi)表示接收的是起始碼，開始接收信號信息，超過5ms那么接收無效直接退出。接收到的信號通過MCU(微處理器)進行處理后，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制編碼

32、信息。下面為接收端的數(shù)據(jù)編碼協(xié)議。void EXTI1_IRQHandler(void)u8 tim=0,ok=0,data=0,Num=0; while(1)if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)=1)tim=HW_jssj();/獲取此次高電平時間if(tim>=200&&tim<250)ok=1;/收到的高電平信號在4-5ms之間，成功接受到起始信號else if(tim>=60&&tim<90)/在1.2ms-1.8ms之間data=1;else if(tim>=10&&

33、amp;tim<50)/在0.2ms-1ms之間data=0; if(tim>=250) break;/不是有用的信號if(ok=1) hw_jsm<<=1;hw_jsm+=data;if(Num>=32)hw_jsbz=1;break;Num+;EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);/清中斷先接收到起始碼，在接收“0”或“1” 數(shù)據(jù)，因為接收過程中有延時，所以不能用確定的時間衡量，再接收“0”高電平時間是0.56ms，應(yīng)該給一時間范圍，比如在0.2ms-1ms之間，同理接收“1”時高電平時間為1.69ms，給定的范圍為1.2ms-

34、1.8ms之間。 本章小結(jié) 在本章中進行了光無線系統(tǒng)的方案設(shè)計系統(tǒng)，主要介紹了發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)以及傳輸協(xié)議的詳細設(shè)計和說明，在本次設(shè)計中采用STM32F103RBT6完成了整體方案的設(shè)計和實現(xiàn)，通過對光的調(diào)制方式的分析和了解，采用了PPM的編碼方式，重點分析了在本次設(shè)計中所運用的編碼原理以及發(fā)射與接收原理。第四章 系統(tǒng)的搭建和調(diào)試4.1系統(tǒng)的搭建1、搭建系統(tǒng)a、安裝編譯軟件MDK。b、安裝驅(qū)動CH340驅(qū)動(USB串口驅(qū)動)和PL2302，實現(xiàn)芯片串口與電腦通信連接。c、安裝串口助手軟件，進行串口的數(shù)據(jù)顯示與接收數(shù)據(jù)的顯示。2、軟件編寫、生成及下載通過軟件MDK編寫發(fā)送和接收程序，在檢查程序

35、和調(diào)試之后，運行程序產(chǎn)生十六進制文件hex。通過mcuisp軟件將文件下載到STM32中去。3、發(fā)射數(shù)據(jù)通過程序中的直接給定的數(shù)據(jù)，可以通過串口助手在電腦上打印出來，顯示出發(fā)送的數(shù)據(jù)。串口助手可以顯示將要在某個串口上的信息內(nèi)容，應(yīng)用方便快捷簡單，串口助手支持的波特率300-115200bps之間，有設(shè)置校驗奇偶數(shù)的功能。以及接收的數(shù)據(jù)位和停止位的作用，在串口助手上可以以ASCII碼或其他的形式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送周期也可以自動設(shè)定，可以將接收的數(shù)據(jù)信息以文檔的形式保存下來。4.2 發(fā)射端和接收端的串口顯示圖4.1發(fā)射LED實物圖圖4.2發(fā)送端的串口顯示接收端的光電檢測對LED脈沖進行檢測，得到

36、電脈沖信息。根據(jù)電信號的脈沖未位置的不同，解調(diào)出發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給電腦，在串口助手中顯示接收到的信息。圖4.3接收端的串口顯示通過測試，可以看到本次的系統(tǒng)的發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)在一定的距離內(nèi)是相同的，所以可以得出結(jié)論可以實現(xiàn)基本的32位數(shù)據(jù)傳輸。第五章 總結(jié)和展望總結(jié)本論文提出了一種基于STM32的無線光通信系統(tǒng)方案，并詳細的介紹了通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。通過對常用的空時編碼進行分析，并結(jié)合光通信的情況，選取了合適的編碼方案。通過對軟硬件的調(diào)試和實驗，初步實現(xiàn)了對光通信系統(tǒng)的設(shè)計與制作。本論文主要完成了一下工作：(1)設(shè)計了光發(fā)送電路和光電轉(zhuǎn)換電路等硬件模塊，并結(jié)合所需性能指標(biāo)選取合適的器件。(2)介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，及光系統(tǒng)中常用NEC編碼。 (3)通過大量的實驗調(diào)試系統(tǒng)軟硬件，使系統(tǒng)性能更加優(yōu)良。(4)光路傳輸系統(tǒng)的設(shè)計使能夠在1M的距離內(nèi)穩(wěn)定傳輸。由于時間和所學(xué)的知識有限，本文的研究不是十分充分，進一步的研究是十分有必要的，而且光通信技術(shù)的熱度逐年增加，研究的人員也越來越多，借此機會要多從其中學(xué)得一些光通信方便的知識。24展