基于大功率白光LED的可见光通信

张静

摘要：基于大功率白光LED的可见光通信装置，实现了利用LED发光装置和光敏器件传输音频信号和模拟波形信号的功能，输入信①号通过TI公司的LM1875芯片进行功率放大后，再利用555组成的多谐振荡器进行信号的调制，调制后的信号驱动LED达到信号传输的目的，接收部分采用光敏电阻接收LED发送的信号，接收后的信号经过滤波处理和功率放大后送8欧喇叭输出，音频信号没有明显失真。此外装置内的电压、电流信号可以通过单片机采样后，利用LCD12864进行显示。该装置较好的完成了题目预定的功能，达到了利用大功率白光LED可见光通信的目的。

关键词：白光LED；LM1875；555；LM2576-ADJ

1.总体方案设计

1.1系统结构图

基于大功率白光LED的可见光通信装置分为：发送端和接收端两大模块，其中又包括电源模块、音频放大模块、调制模块、LED控制输出模块、可见光接收模块、功放模块、数据采集显示模块等7个子模块组成，装置设计基本框图如图1所示：

该装置发送端和接收端均采用24V单电源供电，电源模块使用TI公司的LM2576-ADJ芯片组成电压可调电路，首先输入220V交流电源经过变压器变压后输入到LM2576进行稳压处理后作为稳压电源使用；音频放大模块采用采用TI公司的LM1875作为功放模块，保证输出信号的功率和避免失真；调制模块利用555组成多谐振荡器，将放大后的音频信号和模拟信号调制成方波信号，从而驱动LED进行信号的发送；LED选用10W的大功率白光LED，并且保证在不进行信号传输的情况下功率必须满足10W的要求，因为LED功率较大，在工作过程中温升很大，因此需要加装散热片保证其正常运行。发送端的音频信号来源于MP3或者是麦克风，模拟信号来源于信号发生器。 接收端的光敏器件选用光敏电阻，进行信号的接收，接收到发送端发出的信号后首先进行滤波处理后再进行功率放大，接收端的功放模块同样采用TI公司的LM1875作为功放模块，在安装功放模块时也要加装散热片，功率放大后就可以直接输出到8Ω的喇叭上。数据采集显示模块主要是完成电压、电流信号的采样、处理、显示功能，显示采用了具有中文字库的LCD12864来显示。

1.2方案比较与选择

1）电源设计方案比较与选择

方案一：采用常用的线性稳压芯片78XX系列组建的电源电路，虽然设计简单，但是功耗高，带负载能力差，电压不是非常稳定。

方案二：采用TI公司的LM2576-ADJ芯片组成的电压可调电路，功耗低，效率高，带负载能力强。适合产品要求。

通过以上两个方案对比，我们最终选择方案二。

2）功放模块方案比较与选择

方案一：采用LM386作为功放模块，电源电压范围大，外接元件少，但是功率不足。

方案二：采用TI公司的LM1875作为功放模块，体积小巧，外围电路简单，且输出功率较大等优点。

通过以上两个方案对比，我们最终选择方案二。

3）接收模块方案比较与选择

方案一：采用光敏电阻作为可见光接收元件，可靠性好，反应速度较慢。

方案二：采用光敏三极管作为可见光接收元件，体积小，灵敏度高。

通过以上两个方案对比，我们最终选择方案一。

4）其他模块

调制模块：产品根据设计要求设置了音频调制电路，该电路可将输入的音频信号或单音信号进行调制后控制LED，尽量保证在传输信号过程中保证LED亮度不受输入信号的影响。

2.理论分析与计算

2.1 LED驱动分析计算

电源选用LM2576，将比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值。用TIP41C作为LED的驱动电路，根据有没有信号输出控制LED的通断，采用恒流方式驱动，电流为1A。

2.2信号的失真度控制

基于大功率白光LED的可见光通信装置不仅要进行音频信号的传输，还要对单音信号、模拟波形信号进行传输，传输频率的跨度较大，而且传输过程是在可见光范围内的无线传输，因此如何保证信号无明显失真显得非常重要。

1）信号的调制方法

调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其变为适合于信道传输的形式的过程，就是使载波随信号而改变的技术。本作品采用脉冲调宽（PWM）方式进行调制。由IC555和R7、R6、C5等组成100KHz可控多谐振荡器，占空比为50%，控制端5脚输入音频信号，3脚便得到脉宽与输入信号幅值成正比的脉冲信号，驱动LED。

2）信号的滤波处理

信号在传输过程中光敏器件除了受到正常光源的作用外，还不可避免的受到干扰信号的影响，例如在室内还可能受到日光灯的影响，输出电压会有一定程度的波动，因此有必要对信号进行滤波。滤波器的截止频率，电路的传递函数为，频率特性为，当信号频率为0时，容抗趋于无穷，电容开路，输出电压等于输入电压，随着信号频率的升高，容抗越来越小，从电容端获得输入信号也越来越小，待信号频率趋于无穷时，容抗趋于0，输出信号为0。

3.系统设计

基于大功率白光LED的可见光通信装置分为发送端和接收端两个部分，发送端将语音信号和模拟波形信号经过LM1875进行信号放大后进入555振荡器进行信号调制，然后驱动10W的白光LED进行信号的传输；接收部分首先使用光敏旗舰接收来自LED的白光信号，信号经过低通滤波器进行滤波处理以后再进行信号的功率放大和处理后，输送到负载8欧姆的喇叭上进行输出，整个过程要保证LED的电流基本恒定，输出的电压的有效值不小于0.4V等信息。

数据采样部分为本装置设计的一个发挥部分的创新点，装置在運行过程中，需要对LED的功率进行测算包含电流和电压值的测量，输出部分需要监测输出电压不小于0.4V这个指标，因此本装置增加了数据采样部分，数据经过单片机处理后在LCD上进行显示，题目要求的数据可以实时的显示，使读数更快捷。

4.系统调试与测试结果分析

经过测试，电路可以基本完成可见光通信，改变频率后进行测试，无论输出电压和静态噪声都符合题目的要求。使用MP3作为输入信号时，接收端无失真。设计的功率显示电路可以正常显示，成功的完成了任务。

5.总结

经过设计、调试和运行，设计的基于大功率白光LED的可见光通信装置完成了音频信号、固定频率单音信号、模拟波形信号的传输等功能，通过对测试结果进行了详细的验证分析，达到了要求的功能，但由于自身水平有限和时间紧迫等因素，本方案在设计上存在一些值得改进的地方，在接下来的工作中，通过对软硬件的进一步完善，使装置控制效果更优。

参考文献：

[1]《模拟电子技术及应用》，刁修睦，杜保强，宋伟毅主编.北京大学出版社，2008.6。

[2]《C程序设计（第四版）》， 谭浩强著，北京：清华大学出版社，2010.6。

[3]《通信原理（第6版）》，樊昌信，曹丽娜编著 ，国防工业出版社 ，2007.1。

[4]《单片机原理与应用》，刘湘涛.江世明.电子工业出版社，2006年7月endprint