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.31.1LED 光通信原理和关键技术31.2LED 光通信简单原理框架.41.3LED 通信原理的调制解调.41.3.1NEC 协议41.3.2 信道编码技术51 3.3 交频分复用(OFDM)技术51.4LED 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 AT89S51.83.1.1 简
2、介.83.1.2 引脚介绍.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。LE
3、D 作为冷光源和节能光源，正在不断发展和普及，所以利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
4、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
5、。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
6、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。1.3 可见光通信原理的调制解
7、调1.3.1NEC 协议说明NEC 协议特点:8 位地址和 8 位命令为提高可靠性，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
8、 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.信号发射信号调制LED信号发射PIN光电接收信号解调信号显示噪声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
9、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。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
10、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OF
11、DM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
12、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OFDM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
13、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。
14、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。（3）LED 可见光无线通信技术可为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。LED 可见光无线通信在智能交通系统中能发挥重大作用，具有良好的发展前景。第二章、设计方案论述2.1 单片机 LED 发射设计原理有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控电路、大功率 LED 发射电路以及单片机的一些电源、复位、震荡子电路组成。单片机工作是查询键盘按下的是哪一个按键，当确认按键后，控制软件启动定时器 T0、T1，T1 作为发射时间控制器，T0 作为 LED 发射频率控制器，T0定时溢出时中断程序使 P3.3 接口电平反转一次，写入定时器的
15、初值不同，在输出端口就得到不同的发射频率。T1 定时溢出时中断程序关闭 T0 定时器，停止信号发射。2.2 单片机 LED 接收原理单片机接收电路主要有单片机、PIN 光电二极管接收电路、状态指示电路及单片机的一些外围电路组成。利用单片机中的 T0 作为红外脉冲计数器，T1 作为计数时间控制器。当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时，外部中断 1 被触发，启动计数器 T0和定时器 T1。定时溢出，中断程序关闭计数器 T0，读入计数值并进行判断，确定操作对象（遥控按键）对其进行反转操作，控制电路对所控制的负载进行开或关。还可对接收电路实行上锁功能，对控制电路上锁后，遥控器不能对控制电路实施遥控
16、功能。第三章 LED 光通信硬件电路设计3.1 单片机 AT89S513.11 单片机简介AT89S51 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机。片内含有 2KB 可反复擦写的只读存储器（EPROM）和 128B 的随机存取存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8位中央处理器和 Flash 存储器，功能强大。AT89S51 只有 20 个双向输入/输出（I/O）端口，其中 P1 是完整的 8 位双向 I/O 口，两个外中断，2 个 16 位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。此外，A
17、T89S51 的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内 RAM 将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作。3.1.2 89C51 引脚介绍1、面向控制的 8 位 CPU2、一片内振荡器和始终长生电路，振荡频率为 024MHZ3、内部程式存储器（ROM）为 4KB 4、内部数据存储器（RAM）为 128B 5、外部程序存储器可扩充至 64KB 6、外部数据存储器可扩充至 64KB 7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制8、5
18、个中断源，2 个中断优先级9、1 个全双工的异步串行口10、21 个特殊功能寄存器；11、具有节电工作方式，即休闲方式和掉电保护方式VCC：AT89S51 电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S51 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S
19、51 便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000HEA/Vpp：“EA“为英文“External Access“的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部 EPROM 中）来执行程序。因此在 8031 及 8032 中，EA 引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM 时，可以利用此引脚来输入 21V 的烧录高压（Vpp） 。ALE/PROG：ALE 是英文“Addr
20、ess Latch Enable“的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89S51 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74LS373） ，将端口 0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为 AT89S51 是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时 ALE 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为“Program Store Enable“的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0） ，会送出此信号以便取得
21、程序代码，通常这支脚是接到 EPROM 的 OE 脚。AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引脚分别启用存在外部的 RAM 与 EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共AT89S51 用 64K 的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口 0 是一个 8 位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有 8个位，P0.0 表示位 0，P0.1 表示位 1，依此类推。其他三个 I/O 端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0 在当做 I/O用时可以推动 8 个 LS 的 TTL 负载。如果当 EA 引脚为低电平时（即取用外部程
22、序代码或数据存储器） ，P0 就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7） 。设计者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口 2 所送出的 A8A15 合成一完整的 16 位地址总线，而定址到 64K 的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口 2 是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，每一个引脚可以推动 4 个 LS的 TTL 负载，若将端口 2 的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2 除了当做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S51 扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 A8A15，这个时候
23、 P2 便不能当做I/O 来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口 1 也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4个 LS TTL 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话，P1.0 又当做定时器 2 的外部脉冲输入脚，而 P1.1 可以有 T2EX 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。PORT3（P3.0P3.7）：端口 3 也具有内部提升电路的双向 I/O 端口，其输出缓冲器可以推动 4 个TTL 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储
24、器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断 0 输入。P3.3：INT1，外部中断 1 输入。P3.4：T0，计时计数器 0 输入。P3.5：T1，计时计数器 1 输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。3.2 独立式按键结构独立式按键是指直接用 I/O 线构成的单个按键电路，每个独立式按键占有一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键的工作状态不会影响其他 I/O 口线的工作状态，其结构简单，但 I/O 口线浪费较大。独立式按键配置灵活，软件结构简单，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，其电路原理图如图 3-10。
