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1、 桂林理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科实习设计(论文) 题目：具有光通信功能的发光二极管手电筒设计 摘要第一章 绪论.31.1 LED光通信原理和关键技术31.2 LED光通信简单原理框架.41.3 LED通信原理的调制解调.4 1.3.1NEC协议4 1.3.2信道编码技术513.3交频分复用(OFDM)技术51.4 LED可见光无线通信的发展前景6第二章 设计方案.62.1 可见光通信发射电路设计原理.62.2 可见光通信接收电路设计原理.7第三章 LED光通信电路设计.73.1 单片机 AT89S51.8 3.1.1简介.8 3.1.2引脚介绍.
2、83.2独立式按键结构.103.3 PIN光电二极管.113.3.1光电二极管工作原理.113.3.2光电二极管结构.123.4 系统完整的电路设计图.13第四章 软件的设计.154.1 可见光通信发射程序设计.154.2 可见光通信接收程序设计.19第五章 结束语.23答谢词.24参考文献.25摘 要本次实习以AT89S51单片机作为核心，综合运用了单片机中断系统、定时器、计数器等知识。LED等具有高亮度、寿命长、性能稳定、节省能源等优点，他将成为新一代的照明工具。由于LED的高灵敏度和线性调制特性，因此LED照明系统具有传输信号的能力。LED作为冷光源和节能光源，正在不断发展和普及，所以利
3、用这个新光源的可见光来通信，也是目前研究的热门课题。LED可见光传输技术是利用萤光灯或是白光LED等室内照明设备，发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的讯号，以无线方式来传输数据。采用可见光另一个特点是它的波长范围大，可以将可见光讯号用不同的波长进来进行传输。从而实现多路通信。可见光还有无电磁辐射、易保密等特点，尤其搭借了照明平台，所以不需要采用另外的传输介质，采用广播方式，受体的数量即容量受到的制约小，其缺点是不易实现双向的通信。本设计是一个led发射器，设计目的就是通过按键的不同，发射出不同的信号。传统的遥控器都是采用遥控发射专用集成芯片，由于这些芯片的功能键数及功能收到特定的限制，只适合于某一
4、专用电器产品的应用，应用范围受到限制，本设计采用单片机制作，采用编程的方法，由于编程具有灵活性，故应用范围较广。第一章、绪论1.1可见光通信原理和关键技术LED可见光传输技术是利用萤光灯或是白光LED等室内照明设备，发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的讯号，以无线方式来传输数据。采用可见光另一个特点是它的波长范围大，可以将可见光讯号用不同的波长进来进行传输。从而实现多路通信。可见光还有无电磁辐射、易保密等特点，尤其搭借了照明平台，所以不需要采用另外的传输介质，采用广播方式，受体的数量即容量受到的制约小，其缺点是不易实现双向的通信。LED可见光无线通信主要包括以下几个方面的关键技术（1）光信号接受技
5、术。在LED可见光通信系统中，存在着强烈的背景噪声和电路固有噪声的干扰，距离越大信号越微弱，需要有选择灵敏度高、响应速度快、噪声小的新型光电探测器。（2）调制、编码以及解调技术。LED可见光无线通信系统大多采用强度调制(M)de 直接检测（DD）非相干系统，编码方式大多为二进制OOK（开关键控）编码。在实际光通信系统中，曼切斯特编码的性能优于OOK编码。（3）码间干扰克服技术。在室内LED可见光通信系统中，LED光源具有较大的发射功率和宽广的辐射角，光线分布在整个房间。OOK编码器输出的矩形脉冲在传播过程中，由于LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致了不同的传输延迟光脉冲会在时
6、间上延时，产生码间干扰（ISI），通过可控的方式将ISI引入发射信号，采用抗扰动滤波器的相关电平编码，可降低ISI的影响。1.2LED可见光通信发送接收简单原理发送信号被加入到交流电的正弦波上，传送到LED设备上；接着，交流载波在进入LED之前被分成两部分，一部分整流成直流电后，用于照明，另一部分通过带通滤波器，分离出的传输信号用于调制和控制LED的发光强弱以形成调制后的光载波信号，通过光电二极管接受，转化为电信号，然后再通过解调器译码，送往终端。噪声信号显示信号调制信号解调PIN光电接收LED信号发射信号发射1.3可见光通信原理的调制解调1.3.1NEC协议说明NEC协议特点:8位地址和8位
7、命令为提高可靠性，地址和命令都传输2次,脉冲间隔调38kHz载波频率(1)NEC的0和1的脉冲定义在发送端：每一位时间为1.12mS（560us+560个低电平）或2.25ms（560us+1680us），调制采用脉冲间隔时间长短调制每一位。每一个脉冲都是由560uS长度的38kHz载波脉冲构成的，占空比为1/4或1/3（约21个周期）。逻辑1：2.25mS逻辑0：1.12mS而在接收端：没有脉冲的时候为高电平，接收到脉冲的时候为低电平，故逻辑1为560us低+1680us高，逻辑0变为560us低+560us高。（因为560us是载波脉冲，故为低了，剩余的没有脉冲，故为高了，从而根据接收到的
8、高电平的脉宽可以区分0与1）；由这里我们可以得出在0与1之间，1高电平持续时间为1.68ms,0持续的时间为0.56ms.编码器产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。13.2信道编码技术数字信号在传输过程中不可避免地受到各种噪声干扰导致传送的数据流产生误码从而使接收端出现异常现象。比如：图象跳跃、不连续、出现马赛克等。信道编码技术对数据流进行相应的处理使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力提高数据传输效寥，降低误码率并最终提高数据的通信距离。
9、暨南大学陈长缨、赵俊提出一种适用于LED数字传输的mBnB分组编码技术。通常来说分组码是指将原始信息码字按m比特为单位进行分组根据一定规则用另外每组为n比特的码字来表示然后这些新的分组以NRZ码或RZ码的格式来传输。常用的信道编码有182B(曼彻斯特码)、384B、586B、688B等。mBnB码的优点有：功率谱形状较好；连0连1个数有限，没有基线漂移问题；提供可靠的误码监测和字同步手段。实验证明经过688B编码后光信号在通信距离r=-0525m范围内受LED的个数、电阻及串口模块分频的影响不大。利用688B编码技术可以保证本系统中数据高速传输的同时使信号传输距离超过25m。而且可以通过对数据
10、采用高低两种不同码表的方法来克服mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。如图3所示以一个12bit的原始数据为例，介绍688B编码实现过程。 13.3交频分复用(OFDM)技术OFDM是一种应用于无线环境下的高速传输技术具有很强的抗多径能力，已经在高速无线光通信中获得了广泛应用。早在2001年日本庆应大学中川研究室就提出了为提高传输的数据率在VLC中引入OFDM调制方式的必要性。OFDM技术的主要思想：在频域内将所给信道分成多个正交子信道在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输。使得每个子信道相对平坦并且在每个子信道上进行的是窄带传输信号带宽小于信道的相干带宽IL81。因此就可以大
11、大消除ISI。在可见光通信OFDM系统中首先要对信号源电信号进行OFDM编码然后加一直流偏置对LED光源进行调制。由于在发射端将串行的高速数据并行地调制到多个正交的副载波上降低了码速率增加了信号脉冲的周期减弱了多径传播引起的ISI的影II句i9l。另一方面可以通过在OFDM信号间加入保护隔进一步减弱ISI的影响。然而，OFDM还存在这样的缺点：当数据信息在深衰落子信道传送各子载波使用的相同的发射功率和调制方式时，这个深衰落子信道的误码率会增大。那么即使其它子信道的误码率很小整个系统的通信性能会因其中的任何子信道的不良通信而恶化。2005年西班牙的0G0nzalez等人提出了一种利用自适应OFD
12、M信号提高通信能力和减小多径效应的方案克服这个缺点。自适应OFDM调制可以根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率在信道条件好的子信道中传输较多的比特数和更多的能量。相反在深衰落子信道中，系统将不传信息或减少该子信道的数据传输的比特数。实验表明，通过这样的自适应调整后有效地减弱无线光信道中噪声的影响整个系统的传输效率会有很大的提高1.4LED可见光无线通信的发展前景 LED可见光无线通信主要应用在室内局域网和智能交通系统中，未来LED可见光无线通信技术朝以下几方面发展。（1）室内LED可见光通信采用OFDM调制技术、CDMA接入技术及分组编码技术具有良好的发展前景，但采用OFDM调制技术时，幅度不断变化的的OFDM信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。目前LED可见光无线通信系统研究主要是针对下行链路，系统上行链路研究还有待深入。（2）由于LED照明基站灯安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，利用电力线来传输通信信号可大幅降低投资成本。LED可见光无线通信与电力线载波通信相结合将是未来的发展趋势。（
