基于STM32的VLC字符传输系统

王　涛, 陈善继

(青海民族大学 物理与电子信息工程学院, 青海 西宁　810007)



基于STM32的VLC字符传输系统

王涛, 陈善继

(青海民族大学 物理与电子信息工程学院, 青海 西宁810007)

对可见光通信字符传输系统进行了改进。与基于51单片机的可见光通信系统相比,改进后的基于STM32的VLC字符传输系统具有更小的发射板体积和接收板体积,可以支持更高速率和更多的功能。系统链路采用定向式视距信道、光强度调制-直接检测技术,通过对白光LED的高速调制,利用功能较全面的串口调试软件观察了PC机间的LED可见光通信。实验结果表明,系统在PC机间能够实现中英文字符的高速单工数据通信。

可见光通信； 字符传输； STM32微控制器

可见光通信技术(visible light communication,VLC)是利用高速明暗闪烁的LED灯光实现信息的高速调制和传输。德国海因里希·赫兹通信工程研究所设计的VLC系统达到500 Mbit/s的传输速率[1]。2012年,Casio发布的苹果应用程序可以让用户利用VLC技术分享照片[2]；2013年,复旦大学迟楠教授团队实现了传输速率3.75 Gbit/s的VLC系统[3]。与传统的射频通信相比,VLC技术无电磁干扰、所用频段不受管制、传输速率高、保密性能好,应用前景广阔[4-7]。随着我国LED照明灯的推广应用,研究LED可见光通信技术具有很好的应用价值。室内VCL未来有望取代单一功能的通信系统成为室内无线通信的重要构成[8]。

文献[9]介绍了基于51单片机的LED可见光通信系统,运用功能较简单的串口调试软件实现了英文字符的单工数据通信。但是，该系统采用外接电源供电,系统控制模块和光源模块体积较大,控制模块功能较简单,波特率设置为600 Bd/s,USB转串口模块没有设计到发射板和接收板上。本文基于STM32的LED可见光单工通信系统,相比于51单片机的LED可见光通信系统有诸多改进:主要是采用USB口供电,USB转串口模块小型化并设计到发射板上和接收板上,系统控制模块采用了体积更小、功能更强大的STM32F103C8T6,波特率设置为9 600 Bd/s,LED光源采用体积更小的贴片LED阵列光源。通过串口调试软件验证了中英文字符的可见光通信传输。

1　系统组成

系统由发端PC机、发射板、无线光通信信道、接收板、收端PC机组成。发射板主要包括USB转串口模块、系统控制模块、LED驱动模块及LED光源；接收板主要包括光电接收模块、系统控制模块、USB转串口模块。系统框图如图1所示。采用光强度调制-直接检测(IM-DD)技术,可以实现两台PC机之间的中英文字符可见光通信传输。

图1　系统框图

(1) PC机。通过串口调试软件显示发送数据和接收数据。

(2) USB转串口模块。连接发射板(或接收板)系统控制模块和PC机USB接口,将PC机串口调试助手中发送的数据经转换后送入系统控制模块串口,或将系统控制模块串口发出的数据经转换后送入PC机串口调试助手中进行显示。本系统采用CH340G芯片来实现USB协议数据与串口协议数据的转化功能。CH340G是一个USB总线的转接芯片,可以实现USB转串口、USB转IrDA红外。数据经USB口发出(或送入),由CH340G来实现协议数据的转换,实现计算机与可见光通信收发板之间的数据连接。

(3) 系统控制模块。STC89C52微控制器(MCU)虽然成本低、易控制,但RAM仅为4 KB,处理速度不快,难以用在高速大数据的传输中[10]。本系统改用32位微控制器STM32F103C8T6作为系统控制模块,其内置64 KB程序存储器、20 KB RAM,采用72 MHz时钟频率,具有功能强大、高性能、小体积、低功耗的优点。在发射板上,计算机中写入的字符串经USB转串口模块发送到系统控制模块,串口部分收到后,将它们转换为基带信号序列,进入后续的处理单元[11]。在接收板上,系统控制模块对光电接收模块产生的信号进行与发送端相反的处理,然后将处理后的信号送至后续的处理单元进行转换。

(4) LED驱动模块及LED光源。系统中光源驱动器件仍然采用结构简单的单一晶体管LED驱动电路,通过光强度调制将电信号转换为光信号。发射板白光LED光源采用3个贴片LED构成的阵列,既能满足亮度需求,又大大减小了LED光源的体积。

(5) 无线光通信信道。室内可见光通信的链接方式有定向型链路和非定向型链路、视距链路和非视距链路。定向型链路中发射器和收发器必须对准,功率利用率高[12]。视距链路只接收直射光线,几乎不受多径效应的影响[13]。本系统在PC机之间进行短距离的点对点通信,无线光通信信道属于定向式视距信道链路,发射板和接收板之间始终保持对准、无障碍物,多径效应影响小。

(6) 光电接收模块。考虑到PIN光电二极管的光电转换线性度较好、响应速度较快、价格较低等优势,所以光电接收模块核心器件采用普通PIN光电二极管接收可见光,将光信号转换为电信号。

2　基于STM32的VLC单工数据通信实验

为实验方便,在一台PC机上的两个USB口之间模拟进行两台PC机间的VLC单工数据通信。安装好驱动程序后,将USB信号线1的一端连接发射板上的接口,另一端连接PC机USB接口1(对应COM9口)；将USB信号线2的一端连接接收板上的接口,另一端连接PC机USB接口2(对应COM10口)(见图2)。

图2　基于STM32的VLC单工通信系统实物连接图

对该系统进行了如下实验：同时通过串口调试助手软件观察高速调制下信号的接收情况。

2.1手动发送实验

波特率均设置为9 600 Bd/s,在PC机COM9口发送区发送数据“可见光通信测试——中文字符传输”。数据手动发送,经过基于STM32的VLC单工通信系统后,PC机COM10口接收区迅速、准确显示出“可见光通信测试——中文字符传输”(见图3)。

图3　手动发送实验结果

2.2自动发送实验

波特率均设置为9 600 Bd/s,发送数据不变,改用定时发送。数据通过基于STM32的VLC单工通信系统快速传输,并在COM10口的接收区准确显示。

自动发送实验中如果用书本阻断无线光通信信道,则COM10口的接收区停止数据显示。当移出书本时,COM10口的接收区继续显示数据。

2.3发送文件实验

波特率均设置为9 600 Bd/s,在COM9口的发送区选择打开文件“C:实验灯光上网不是梦 探究可见光通信.txt”,可以在COM9口的发送区显示窗口预览到文件的内容,如图4(a)所示。发送后,COM10口接收区显示出文件“灯光上网不是梦探 究可见光通信.txt”的部分内容,实验观察结果如图4(b)所示。

图4　文件发送与接收显示结果

实验中发现,发送的文件在发送区显示窗口中显示出了文件的全部内容,但是在接收区显示窗口中只显示出了部分内容。

原因分析:采用的串口调试助手软件有待改进,接收端接收中文字符时,存在不能一次接收所有数据的情况,所以在显示接收消息的时候,只显示了最后一部分。可以考虑改进该串口软件,完善其功能。

3　结语

字符传输实验测试了基于STM32的VLC字符传输系统,实验系统采用多功能、高性能、小体积、低功耗的STM32F103C8T6作为系统控制模块,利用功能较全面的串口调试助手来实现中英文字符的发送与接收。相对于文献[9]中基于51单片机的VLC系统,具有更小的体积和更好的功能。实验结果表明,该系统能够实现英文字符及中文字符的短距离可见光单工数据通信,但串口调试助手软件在功能上还有待完善。由于STM32F103C8T6内置有A/D转换器和/D/A转换器,故可以通过设计相应的功能模块,进而实现音频信号的VLC传输。

References)

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[12] 谭家杰.室内LED可见光MIMO通信研究[D].武汉:华中科技大学,2011.

[13] 焦媛.无线可见光通信的信道估计研究[D].南京:南京航空航天大学,2011.

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“春晖计划”科研项目(Z2014013)资助；2015年青海省应用基础研究项目(2015-ZJ-721)资助

王涛(1976—),男,河南武陟,硕士,副教授,主要研究方向为移动通信、可见光通信.

TN929.1；TP368.1

A

1002-4956(2016)10-0139-03