LED可见光通信系统中的程序设计

【摘要】介绍了所设计的LED可见光通信系统的发射端及接收端程序设计概况，对程序设计中若干关键问题处理方法及注意事项做了阐述，并对实验中遇到问题的可能原因进行了讨论。

【关键词】可见光通信;发射端;接收端;程序设计

1.引言

可见光LED具有高亮度，损耗低，寿命长等特点，可见光通信Visible Light Communication（VLC）是一种建立在白光LED高速发光响应特性基础上的新兴光无线通信技术[1]，通过使光以人眼无法感知的频率进行闪烁的方法来传送数据，通信速率可达数百兆每秒。在提供照明的同时，也实现了短距离无线通信的目的。这项技术可以把通信能力构建在LED照明之中减轻RF频带的拥挤程度并为光通信提供一种全新的宽带接入方式[2，3]， 与射频无线通信相比VLC具有无电磁干扰发射功率高信道容量大和设备兼容性好等突出优点将很有可能成为光无线通信领域的一个新的增长点，具有非常有价值的应用前景。

仿真构建了以温度数据作为传输信息的可见光通信系统，以两片单片机为基础，在发射端，通过温度采集模块采集到的温度信息，经单片机内部PPM编码，传送给恒流源驱动电路。经恒流源电路控制连接的LED，在保证自身照明功能的同时通过PWM调光发送数据。在接收端，通过光电探测器接收光信号，完成光/电信号的转换，最后解调转换过来的电信号并将其输出，从而实现了通信功能。该通信系统的构建是在相应程序设计基础上实现的，现将发射端和接收端的程序设计做一介绍。

2.发射端程序设计

发射端采用时分复用技术传输二进制数据，其整体流程如图1所示。

图1 发射端整体工作流程框图

（1）单片机定时器的选择与对应程序编码

定时器1在程序中的工作方式为“方式1”，即定时时间从0到65536，共65536μs。定时器1的选择是用它来将信号调制为频率为38KHZ的高频载波，从而保证信号在传递的过程中减小失真。38KHZ对应的单位时间为26μs。因为38KHZ的高频信号为占空比50%的方波信号，所以它的上升沿和下降沿的时间均为13μs。所以定时器1的初始设定为：

TH1=（65536-13）/256             （1）

TL1=（65536-13）%256             （2）

定时器0在程序中的工作方式为“方式2”，即定时时间从0到256，共256μs。它的作用是用来确定PPM编码的周期时间。所以定义的PPM码中，预先设定的决定PPM码周期长短的单位“bb”就可以表示为256μs乘以定时器中断0中的预设参数“aa”的数值。而“bb”最终决定了LED的发光频率和闪烁方式。

根据PPM编码的原理，添加了用于接收端判断是否开始接收信息的起始码。并编写了“0”和“1”的发射函数，用来定义。

定义PPM码的“0”码程序如下，其中变量“cc”表示了信号的高低变化。C语言程序如下：

void write0（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<2）

cc=0;

}

定义PPM码的“1”码程序如下：

void write1（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<3）

cc=0;

}

定义PPM码的起始码程序如下：

void begin（）

{

bb=0;

aa=0;

while（bb<1）

cc=1;

aa=0;

while（bb<7）

cc=0;

}

图2为传输温度数据24（oC）时的程序仿真波形图。

图2 传输温度数据24的PPM码程序仿真波形图

从程序中，无论是哪种码，当cc=1的时候，它的持续时间只有bb的1个单位，即5ms。而这三种码真正的区别是当cc=0，也就是电信号为低的时候，它们的持续时间各不相同。通过外部电路的调整就可以将这样的电信号用来控制LED亮或者灭的持续时间，从而来表示起始码，“0”码，和“1”码。

（2）定义9位数组

当信号不断的被定义成PPM码的同时，还需要定义一个字，即8位的发射函数，用来包含0和1，以及1位的起始码。

定义8位携带数据的位方式如下：

void write（uchar a）

{

uchar i;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（a&0x01）

write1（）;

else

write0（）;

a=a>>1;

}}

3.接收端程序设计

接收端整体流程见图3所示。

图3 接收端程序工作流程框图

经过单片机外部对接收到的信号调制以后，需要计算上升沿延时长短。当然，接收端用来判断时间的数据是需要和发送端对应的。根据延时时间的不同，分辨出引导码，0码，和1码即可。令定时器0中工作在“方式1”，确定了接收端单片机的工作单位时间。

（1）接收引导码

根据发射端定义的起始码，当光照30ms之后停止了5ms的时候，则确认接受到了起始码，然后开始连续的接收接下来的信息。为了避免在实际电路连接制作中存在的延时以及误差，所以在接收端的程序设计中，将起始码以及“0”码，“1”码的判定时间均稍微加以延长，以便接收端能够在系统存在延时的情况下正确的接收信息。

程序如下：

if（TIME>30500）

return 0;

if（TIME<29500）

return 0;

for（i=0;i<7;i++）

（2）8位数组存储

将分析占空比后转化出的0，1码存储到一个8位数组中，当存储满后，分别送给两个数码管显示。在这里需要特别注意的是，由于发射端在每次发送起始码之前需要在主程序中开启定时器，需要消耗几毫秒的时间，这也就会影响起始码前一位码的低电平延时。所以第8位码的发送会引起一定的误差（如图2所示），这是系统产生的不可避免的误差。由于传递的温度信息数据一般不会高于128，所以在接收端强制设定单片机接收7位信号，忽略了第8位数据的接收。

4.结论与讨论

（1）关于定时器

为了保证LED的闪烁不被肉眼所察觉，根据肉眼分辨的最大频率为50HZ，即一周期的时间为20ms。所以时间最长的引导码持续时间需要小于20ms。计算公式为：

bb×6<20ms;bb=aa×10;aa=256μs

（2）关于PPM编码

当调制的PPM编码波形处于低电平的时候，载波此时也一定要处于低电平，否则就会出现载波影响调制波的情况。所以在PPM调制波形变为低电平之后，一定要强制令载波处于低电平，即关闭定时器1，并关闭控制LED的单片机I/O端口，从而使得载波不影响发射的波形，否则载波会根据调制波消失前的最后一个周期的高低电平位置继续延迟。

（3）关于系统传输数据的误差

由于在系统中，单片机打开定时器需要消耗一定的时间，所以当传输速率过高时，即使开启定时器的时间很短，也会对传输系统造成很大的误差。如何完善电路设计，克服单片机自身的缺点，减小系统传输数据的误差，还有待进一步的研究与实验。

参考文献

[1]KOMINE T，NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004，50（1）：100-107.

[2]DOUSEKI T.A battery less optical-wireless system with white LED illumination[C].15th IEEE Internationa1 Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications，2004：2529-2533.

[3]晓野.用灯光上网[J].百科知识，2014（11）：25-26.

[4]杨立伟，侯聪.基于白光LED的可见光通信技术研究[J].电信网技术，2013（12）：33-37.

[5]熊飞峤，敖邦乾.白光LED可见光无线通信系统的研究[J].无线光通信，2013（1）：60-62.

[6]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

作者简介：陈博昊（1992—），男，辽宁沈阳人，大学本科，现就读于沈阳工业大学信息科学与工程学院。