王　濤, 陳善繼

(青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院, 青海 西寧　810007)

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基于STM32的VLC字符傳輸系統(tǒng)

王濤, 陳善繼

(青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院, 青海 西寧810007)

對(duì)可見光通信字符傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。與基于51單片機(jī)的可見光通信系統(tǒng)相比,改進(jìn)后的基于STM32的VLC字符傳輸系統(tǒng)具有更小的發(fā)射板體積和接收板體積,可以支持更高速率和更多的功能。系統(tǒng)鏈路采用定向式視距信道、光強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)技術(shù),通過(guò)對(duì)白光LED的高速調(diào)制,利用功能較全面的串口調(diào)試軟件觀察了PC機(jī)間的LED可見光通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)在PC機(jī)間能夠?qū)崿F(xiàn)中英文字符的高速單工數(shù)據(jù)通信。

可見光通信； 字符傳輸； STM32微控制器

可見光通信技術(shù)(visible light communication,VLC)是利用高速明暗閃爍的LED燈光實(shí)現(xiàn)信息的高速調(diào)制和傳輸。德國(guó)海因里希·赫茲通信工程研究所設(shè)計(jì)的VLC系統(tǒng)達(dá)到500 Mbit/s的傳輸速率[1]。2012年,Casio發(fā)布的蘋果應(yīng)用程序可以讓用戶利用VLC技術(shù)分享照片[2]；2013年,復(fù)旦大學(xué)遲楠教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了傳輸速率3.75 Gbit/s的VLC系統(tǒng)[3]。與傳統(tǒng)的射頻通信相比,VLC技術(shù)無(wú)電磁干擾、所用頻段不受管制、傳輸速率高、保密性能好,應(yīng)用前景廣闊[4-7]。隨著我國(guó)LED照明燈的推廣應(yīng)用,研究LED可見光通信技術(shù)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。室內(nèi)VCL未來(lái)有望取代單一功能的通信系統(tǒng)成為室內(nèi)無(wú)線通信的重要構(gòu)成[8]。

文獻(xiàn)[9]介紹了基于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng),運(yùn)用功能較簡(jiǎn)單的串口調(diào)試軟件實(shí)現(xiàn)了英文字符的單工數(shù)據(jù)通信。但是，該系統(tǒng)采用外接電源供電,系統(tǒng)控制模塊和光源模塊體積較大,控制模塊功能較簡(jiǎn)單,波特率設(shè)置為600 Bd/s,USB轉(zhuǎn)串口模塊沒(méi)有設(shè)計(jì)到發(fā)射板和接收板上。本文基于STM32的LED可見光單工通信系統(tǒng),相比于51單片機(jī)的LED可見光通信系統(tǒng)有諸多改進(jìn):主要是采用USB口供電,USB轉(zhuǎn)串口模塊小型化并設(shè)計(jì)到發(fā)射板上和接收板上,系統(tǒng)控制模塊采用了體積更小、功能更強(qiáng)大的STM32F103C8T6,波特率設(shè)置為9 600 Bd/s,LED光源采用體積更小的貼片LED陣列光源。通過(guò)串口調(diào)試軟件驗(yàn)證了中英文字符的可見光通信傳輸。

1　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由發(fā)端PC機(jī)、發(fā)射板、無(wú)線光通信信道、接收板、收端PC機(jī)組成。發(fā)射板主要包括USB轉(zhuǎn)串口模塊、系統(tǒng)控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊及LED光源；接收板主要包括光電接收模塊、系統(tǒng)控制模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。采用光強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)(IM-DD)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PC機(jī)之間的中英文字符可見光通信傳輸。

圖1　系統(tǒng)框圖

(1) PC機(jī)。通過(guò)串口調(diào)試軟件顯示發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

(2) USB轉(zhuǎn)串口模塊。連接發(fā)射板(或接收板)系統(tǒng)控制模塊和PC機(jī)USB接口,將PC機(jī)串口調(diào)試助手中發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入系統(tǒng)控制模塊串口,或?qū)⑾到y(tǒng)控制模塊串口發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后送入PC機(jī)串口調(diào)試助手中進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)采用CH340G芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議數(shù)據(jù)與串口協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化功能。CH340G是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外。數(shù)據(jù)經(jīng)USB口發(fā)出(或送入),由CH340G來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與可見光通信收發(fā)板之間的數(shù)據(jù)連接。

(3) 系統(tǒng)控制模塊。STC89C52微控制器(MCU)雖然成本低、易控制,但RAM僅為4 KB,處理速度不快,難以用在高速大數(shù)據(jù)的傳輸中[10]。本系統(tǒng)改用32位微控制器STM32F103C8T6作為系統(tǒng)控制模塊,其內(nèi)置64 KB程序存儲(chǔ)器、20 KB RAM,采用72 MHz時(shí)鐘頻率,具有功能強(qiáng)大、高性能、小體積、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)射板上,計(jì)算機(jī)中寫入的字符串經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口模塊發(fā)送到系統(tǒng)控制模塊,串口部分收到后,將它們轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)序列,進(jìn)入后續(xù)的處理單元[11]。在接收板上,系統(tǒng)控制模塊對(duì)光電接收模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行與發(fā)送端相反的處理,然后將處理后的信號(hào)送至后續(xù)的處理單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(4) LED驅(qū)動(dòng)模塊及LED光源。系統(tǒng)中光源驅(qū)動(dòng)器件仍然采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單一晶體管LED驅(qū)動(dòng)電路,通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。發(fā)射板白光LED光源采用3個(gè)貼片LED構(gòu)成的陣列,既能滿足亮度需求,又大大減小了LED光源的體積。

(5) 無(wú)線光通信信道。室內(nèi)可見光通信的鏈接方式有定向型鏈路和非定向型鏈路、視距鏈路和非視距鏈路。定向型鏈路中發(fā)射器和收發(fā)器必須對(duì)準(zhǔn),功率利用率高[12]。視距鏈路只接收直射光線,幾乎不受多徑效應(yīng)的影響[13]。本系統(tǒng)在PC機(jī)之間進(jìn)行短距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,無(wú)線光通信信道屬于定向式視距信道鏈路,發(fā)射板和接收板之間始終保持對(duì)準(zhǔn)、無(wú)障礙物,多徑效應(yīng)影響小。

(6) 光電接收模塊。考慮到PIN光電二極管的光電轉(zhuǎn)換線性度較好、響應(yīng)速度較快、價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì),所以光電接收模塊核心器件采用普通PIN光電二極管接收可見光,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

2　基于STM32的VLC單工數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)

為實(shí)驗(yàn)方便,在一臺(tái)PC機(jī)上的兩個(gè)USB口之間模擬進(jìn)行兩臺(tái)PC機(jī)間的VLC單工數(shù)據(jù)通信。安裝好驅(qū)動(dòng)程序后,將USB信號(hào)線1的一端連接發(fā)射板上的接口,另一端連接PC機(jī)USB接口1(對(duì)應(yīng)COM9口)；將USB信號(hào)線2的一端連接接收板上的接口,另一端連接PC機(jī)USB接口2(對(duì)應(yīng)COM10口)(見圖2)。

圖2　基于STM32的VLC單工通信系統(tǒng)實(shí)物連接圖

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：同時(shí)通過(guò)串口調(diào)試助手軟件觀察高速調(diào)制下信號(hào)的接收情況。

2.1手動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)

波特率均設(shè)置為9 600 Bd/s,在PC機(jī)COM9口發(fā)送區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)“可見光通信測(cè)試——中文字符傳輸”。數(shù)據(jù)手動(dòng)發(fā)送,經(jīng)過(guò)基于STM32的VLC單工通信系統(tǒng)后,PC機(jī)COM10口接收區(qū)迅速、準(zhǔn)確顯示出“可見光通信測(cè)試——中文字符傳輸”(見圖3)。

圖3　手動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2自動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)

波特率均設(shè)置為9 600 Bd/s,發(fā)送數(shù)據(jù)不變,改用定時(shí)發(fā)送。數(shù)據(jù)通過(guò)基于STM32的VLC單工通信系統(tǒng)快速傳輸,并在COM10口的接收區(qū)準(zhǔn)確顯示。

自動(dòng)發(fā)送實(shí)驗(yàn)中如果用書本阻斷無(wú)線光通信信道,則COM10口的接收區(qū)停止數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)移出書本時(shí),COM10口的接收區(qū)繼續(xù)顯示數(shù)據(jù)。

2.3發(fā)送文件實(shí)驗(yàn)

波特率均設(shè)置為9 600 Bd/s,在COM9口的發(fā)送區(qū)選擇打開文件“C:實(shí)驗(yàn)燈光上網(wǎng)不是夢(mèng) 探究可見光通信.txt”,可以在COM9口的發(fā)送區(qū)顯示窗口預(yù)覽到文件的內(nèi)容,如圖4(a)所示。發(fā)送后,COM10口接收區(qū)顯示出文件“燈光上網(wǎng)不是夢(mèng)探 究可見光通信.txt”的部分內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果如圖4(b)所示。

圖4　文件發(fā)送與接收顯示結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),發(fā)送的文件在發(fā)送區(qū)顯示窗口中顯示出了文件的全部?jī)?nèi)容,但是在接收區(qū)顯示窗口中只顯示出了部分內(nèi)容。

原因分析:采用的串口調(diào)試助手軟件有待改進(jìn),接收端接收中文字符時(shí),存在不能一次接收所有數(shù)據(jù)的情況,所以在顯示接收消息的時(shí)候,只顯示了最后一部分?？梢钥紤]改進(jìn)該串口軟件,完善其功能。

3　結(jié)語(yǔ)

字符傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試了基于STM32的VLC字符傳輸系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用多功能、高性能、小體積、低功耗的STM32F103C8T6作為系統(tǒng)控制模塊,利用功能較全面的串口調(diào)試助手來(lái)實(shí)現(xiàn)中英文字符的發(fā)送與接收。相對(duì)于文獻(xiàn)[9]中基于51單片機(jī)的VLC系統(tǒng),具有更小的體積和更好的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)英文字符及中文字符的短距離可見光單工數(shù)據(jù)通信,但串口調(diào)試助手軟件在功能上還有待完善。由于STM32F103C8T6內(nèi)置有A/D轉(zhuǎn)換器和/D/A轉(zhuǎn)換器,故可以通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能模塊,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的VLC傳輸。

References)

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Supporting character transmission visible light communication (VLC) system based on STM32

Wang Tao, Chen Shanji

(School of Physics and Electronic Information Engineering,Qinghai Nationafities University,Xining 810007,China)

Compared with the visible light communication(VLC) system based on 51 single-chip,the VLC system based on STM32 has smaller volume of the radiation plate and smaller volume of the receiving plate,it can support higher speed and more functions. System link uses a directional line of sight channel and light intensity modulated-direct detection technology,through white light LED high-speed modulation, the system uses sophisticated serial debugging software to observe the LED visible light communication between PC machines. Experimental results show that the system can achieve high rates of Chinese and English characters simplex data communication between the PC machines.

visible light communication(VLC); character transmission; STM32 micro-controller

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.035

2016-04-24

教育部2014年度“春暉計(jì)劃”科研項(xiàng)目(Z2014013)資助；2015年青海省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015-ZJ-721)資助

王濤(1976—),男,河南武陟,碩士,副教授,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、可見光通信.

TN929.1；TP368.1

A

1002-4956(2016)10-0139-03