1、I摘 要可 见 光 通 信 技 术 是 21 世 纪 兴 起 的 无 线 光 通 信 技 术 ， 是 对 光 无 线 通 信 领 域的 又 一 开 拓 。 在 可 见 光 通 信 中 ， LED 灯 的 作 用 极 为 显 著 。 LED 灯 在 系 统 中 同时 起 到 室 内 照 明 和 通 信 的 双 重 功 能 ， 是 传 统 照 明 系 统 所 无 法 比 拟 的 。 在 本 文中 ， 将 以 可 见 光 通 信 为 基 础 ， 实 现 室 内 定 位 技 术 ， 为 以 后 实 现 高 精 度 室 内 定 位技 术 打 下 基 础 。 在 可 见 光 通 信 定 位 系 统 中 ，
2、 引 入 了 新 型 的 移 动 平 台 安 卓 。安 卓 的 搭 建 将 使 可 见 光 通 信 系 统 变 得 更 加 便 携 。本 文 主 要 论 述 可 见 光 通 信 系 统 的 组 成 及 原 理 ， FPGA 模 块 的 原 理 ， 以 及 安卓 移 动 平 台 搭 建 与 软 件 开 发 。 作 者 阅 读 了 大 量 可 见 光 通 信 系 统 相 关 文 献 ， 并 在Eclipse 平 台 上 用 java 语 言 开 发 了 软 件 来 接 收 从 FPGA 模 块 传 输 的 数 据 并 在 坐标 系 中 显 示 出 来 。本 文 首 先 介 绍 可 见 光 通 信
3、系 统 的 应 用 背 景 ； 其 次 论 述 可 见 光 通 信 系 统 的 工作 原 理 ； 然 后 简 单 论 述 FPGA 模 块 的 工 作 原 理 ； 接 着 介 绍 及 安 卓 移 动 平 台 及开 发 的 软 件 ； 然 后 再 介 绍 实 验 中 使 用 的 芯 片 及 ； 最 后 介 绍 芯 片 与 电 脑 端 及FPGA 模 块 的 连 接 及 软 件 在 芯 片 与 FPGA 相 连 时 的 结 果 及 其 分 析 。关 键 词 ： 可 见 光 通 信 ； 室 内 定 位 ； FPGA； 安 卓AbstractVisible light communication is
4、 a new technique of Wireless optical communication in 21century, which is a new development of Wireless optical communication. In the visible light communication， LED plays an important role. LED can be lightingand transmit source at the same time, which is beyond the traditional source. In this pap
5、er, we will use the visible light communication IIsystem as a basement to built the indoors-positioning system so that it can be used in the furtherhigh-accuracypositioning technologystudy. In the visible light indoors positioning system, we introduce a new platform, android. The android platformcan
6、 make the visible light indoors positioning system more convenient to carry.This paper puts emphasis on the construction and the theory of visible light communication system, the theory of FPGA. and how to use android development tools to build android software. The author read a great amount of lit
7、erature and standard papers, manage to build the software in java on the eclipse platform to receive the data from FPGA and display in the coordinate system.In this paper, the author firstly introduces the background of visible light communication.Secondly he details the theory of visible light comm
8、unication system. Then, the authordiscusses how FPGA works.Next, he discusseswhat is androidand how to build software in the computer,and presents the software using in the experiment. Then, he presents the chips using in the experiment. Finally, the authorpresents the result of connecting the chips
9、 to the FPGAand to the computer, analyses and subjectively evaluates the result.Keywords:Visible Light Communications; Indoors Positioning; FPGA; Android;目 录摘 要 IABSTRACTII目 录 III第 1 章引 言 1III1.1 选 题 背 景 室 内 定 位 的 应 用 前 景 11.2 定 位 技 术 现 状 11.3 本 文 的 安 排 和 作 者 的 工 作 概 要 2第 2 章可 见 光 通 信 技 术 及 系 统 42.1
10、 光 通 信 的 发 展 历 程 42.1.1 光 通 信 的 关 键 突 破 42.1.2LED 照 明 技 术 的 兴 起 42.1.3 光 通 信 基 本 概 念 及 其 优 点 42.2 可 见 光 通 信 的 工 作 原 理 52.2.1 传 统 不 可 见 光 无 线 通 信 技 术 52.2.2 可 见 光 通 信 技 术 62.3 室 内 可 见 光 通 信 系 统 72.3.1 典 型 室 内 可 见 光 通 信 系 统 基 本 组 成 72.3.2 室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统 82.3.3 可 见 光 光 通 信 系 统 的 特 点 9第 3 章通 信 平
11、台 的 建 立 103.1 信 号 处 理 模 块 FPGA 模 块 结 构 与 接 口 103.1.1FPGA 基 本 组 成 103.1.2FPGA 的 特 点 103.1.3FPGA 的 配 置 模 式 103.1.4FPGA 的 配 置 过 程 123.1.5UART 异 步 串 行 通 信 口 133.2 安 卓 移 动 平 台 133.2.1 安 卓 系 统 的 特 点 143.2.2 安 卓 系 统 的 架 构 143.2.3 搭 建 安 卓 开 发 平 台 Eclipse163.3 安 卓 软 件 开 发 183.3.1 接 收 模 块 18IV3.3.2 数 据 转 换 模
12、块 193.3.3 显 示 模 块 20第 4 章安 卓 设 备 的 连 接 与 通 信 214.1FT311D 模 块 214.1.1FT311D 模 块 介 绍 214.1.2FT311D 产 品 特 点 224.2FT232RL 模 块 224.2.1FT232RL 模 块 介 绍 224.2.2FT232RL 产 品 特 点 234.3 电 脑 端 与 安 卓 设 备 之 间 的 连 接 与 通 信 244.3.1 电 脑 端 、 模 块 与 安 卓 的 连 接 244.3.2 电 脑 端 与 安 卓 设 备 连 接 测 试 254.4FPGA 模 块 与 安 卓 设 备 之 间 的
13、连 接 通 信 284.4.1FPGA 与 安 卓 的 连 接 284.4.2FPGA 与 安 卓 的 连 接 测 试 30总 结 32致 谢 33参 考 文 献 34北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1第 1 章 引 言1.1 选 题 背 景 室 内 定 位 的 应 用 前 景随 着 经 济 的 不 断 增 长 和 现 代 技 术 的 不 断 发 展 ， 加 上 智 能 手 机 的 普 及 以 及 移动 互 联 网 的 发 展 ， 导 航 、 定 位 服 务 的 需 求 日 益 增 大 ， 地 图 与 导 航 类 软 件 将 更侧 重 于 室 内 导 航 ，
14、尤 其 是 在 比 较 复 杂 的 室 内 环 境 ， 如 展 览 馆 、 机 场 大 厅 、 图书 馆 、 仓 库 、 超 市 、 地 下 停 车 场 等 公 共 场 所 ， 常 常 需 要 确 定 人 们 在 室 内 的 位 置信 息 。 据 研 究 调 查 显 示 ， 人 们 平 均 80%至 90%的 时 间 在 室 内 ， 其 中 平 均 70%的 时 间 在 使 用 移 动 电 话 ， 80%数 据 连 接 使 用 时 间 在 室 内 。 因 而 室 内 定 位 有 着 十分 广 泛 的 应 用 前 景 。在 公 共 安 全 和 应 急 响 应 方 面 ， 室 内 定 位 有 助
15、于 救 援 人 员 精 确 定 位 求 救 者 ，定 位 建 筑 物 的 位 置 ， 甚 至 是 楼 层 、 房 间 号 。 在 手 机 购 物 、 移 动 电 子 商 务 、 个性 化 广 告 和 优 惠 信 息 方 面 可 以 通 过 室 内 定 位 根 据 不 同 的 位 置 发 送 不 同 信 息 。室 内 定 位 在 大 型 建 筑 物 公 共 安 全 、 应 急 疏 散 及 灾 后 救 援 等 重 大 需 求 面 前 ， 需 要在 建 筑 物 内 精 确 定 位 位 置 ， 而 实 现 在 大 型 复 杂 建 筑 环 境 内 高 精 度 的 定 位 将 为导 航 监 控 与 应 急
16、 服 务 管 理 提 供 帮 助 。1.2 定 位 技 术 现 状定 位 技 术 可 大 致 分 为 室 外 定 位 和 室 内 定 位 两 种 。室 外 定 位 我 们 比 较 熟 悉 的 是 全 球 定 位 系 统 （ GPS） ， 是 由 美 国 建 立 的 一 个卫 星 导 航 定 位 系 统 。 GPS 定 位 主 要 用 于 对 人 及 设 备 进 行 实 时 远 程 定 位 监 控 的技 术 。 但 由 于 全 球 定 位 系 统 GPS 属 于 卫 星 定 位 ， 定 位 精 度 较 低 。 而 随 着 基 于定 位 技 术 的 服 务 受 到 越 来 越 多 的 关 注 ，
17、实 现 高 精 度 的 定 位 越 来 越 成 为 人 们 的 需求 ， 引 得 国 内 外 对 室 内 定 位 研 究 很 热 。 室 内 定 位 是 指 在 一 定 空 间 内 的 定 位 技术 。有 许 多 大 学 和 研 究 机 构 一 直 在 研 究 室 内 定 位 技 术 ， 这 些 技 术 的 实 现 方 法 主 要可 以 分 为 三 种 ： 三 角 定 位 法 ， 场 景 分 析 法 以 及 近 似 法 ， 常 用 的 室 内 定 位 技 术主 要 有 红 外 线 、 802.11、 超 声 波 和 无 线 射 频 （ RFID） 技 术 。北 京 理 工 大 学 本 科 生
18、毕 业 设 计 （ 论 文 ）2红 外 线 ： Olivetti 研 究 实 验 室 的 Active Badge 系 统 采 用 红 外 线 技 术 实 现 室内 定 位 技 术 ， 有 直 线 视 距 和 传 输 距 离 较 短 两 大 主 要 缺 点 ， 使 得 它 在 室 内 定 位 中的 效 果 较 差 。IEEE802.11： RADAR 是 一 种 基 于 射 频 的 室 内 定 位 系 统 ， 采 用 标 准 的802.11 网 络 对 空 间 进 行 定 位 ， 该 系 统 采 用 经 验 测 试 和 信 号 传 播 模 型 相 结 合 的 方式 ， 易 于 安 装 、 需
19、要 很 少 基 站 ， 能 采 用 相 同 的 底 层 无 线 网 络 结 构 ， 但 系 统 总 精度 不 高 。超 声 波 ： Active Bat 是 采 用 超 声 波 定 位 的 典 型 例 子 ， 它 采 用 超 声 波 时 延 信 号进 行 定 位 ， 其 整 体 定 位 精 度 较 高 ， 但 需 要 大 量 的 底 层 硬 件 设 施 投 资 ， 成 本 太 高 。无 线 射 频 技 术 RFID 定 位 是 一 种 基 于 信 号 强 度 的 定 位 技 术 ， 它 使 用 接 收 到的 信 号 强 度 指 示 (Received Signal Strength Indic
20、ator， RSSI)来 确 定 待 定 位 物 体的 位 置 。 无 线 射 频 识 别 RFID 具 有 其 独 特 的 非 接 触 性 ， 以 及 非 视 性 (不 用 在 可视 范 围 内 )， 但 它 仍 有 占 用 无 线 电 频 谱 、 有 电 磁 干 扰 和 电 磁 辐 射 等 缺 点 。除 了 上 述 这 些 方 法 ， 最 新 的 一 个 研 究 热 点 是 基 于 LED 白 光 的 可 见 光 通 信技 术 的 室 内 定 位 。 白 光 LED 用 电 场 发 光 、 低 电 压 供 电 ， 光 效 高 、 寿 命 长 、 安全 性 好 、 稳 定 性 高 、 低 功
21、 耗 、 无 辐 射 、 抗 震 、 可 靠 、 耐 用 ， 是 理 想 的 照 明 光 源 。白 光 LED 的 响 应 时 间 短 、 具 有 高 速 调 制 特 性 ， 使 得 白 光 LED 还 可 以 进 行 通 信 ，实 现 照 明 和 通 信 双 重 功 能 ， 使 可 见 光 通 信 技 术 (Visible Light Communication，简 称 VLC)因 运 而 生 。 与 传 统 射 频 通 信 以 及 其 它 无 线 光 通 信 系 统 相 比 ， 可 见 光 通信 技 术 的 发 射 功 率 高 ， 且 不 占 用 无 线 电 频 谱 、 无 电 磁 干 扰
22、 和 无 电 磁 辐 射 、 节 约能 源 2， 使 得 它 成 为 室 内 定 位 中 一 个 研 究 的 热 点 。1.3 本 文 的 安 排 和 作 者 的 工 作 概 要经 过 老 师 和 学 长 学 姐 们 的 努 力 ， 实 验 室 里 已 经 初 步 搭 建 好 一 个 可 见 光 通信 系 统 平 台 ， 其 中 三 个 LED 灯 两 两 相 距 20cm， 成 一 个 等 边 三 角 形 ， 三 角 形 中间 放 置 一 个 光 电 探 测 器 ， 光 电 探 测 器 可 以 接 收 来 自 三 个 LED 灯 的 光 强 信 号 并通 过 FPGA 模 块 形 成 位 置
23、 信 息 ， 位 置 数 据 再 传 入 电 脑 上 位 机 ， 电 脑 上 位 机 根 据北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）3不 同 的 位 置 发 送 不 同 位 置 的 广 告 信 息 ， 实 现 在 不 同 位 置 传 输 和 显 示 不 同 广 告 信息 的 功 能 。然 而 由 于 电 脑 端 比 较 笨 拙 ， 不 利 于 携 带 ， 考 虑 到 未 来 手 机 设 备 ， 移 动 电 子商 务 等 发 展 起 来 ， 应 用 在 移 动 平 台 上 更 有 宽 广 的 应 用 前 景 ， 于 是 本 文 提 出 了 一种 用 安 卓 移 动 设
24、备 作 为 上 位 机 ， 通 过 有 线 的 方 式 实 现 FPGA 的 数 据 接 收 和 传输 。本 文 第 2 章 详 细 地 讲 述 可 见 光 通 信 系 统 的 基 本 组 成 以 及 系 统 的 原 理 。第 3 章 介 绍 通 信 平 台 的 建 立 ， 包 括 FPGA 模 块 的 工 作 原 理 以 及 模 块 的 接 口类 型 、 安 卓 移 动 平 台 、 安 卓 开 发 平 台 及 实 验 中 安 卓 软 件 的 具 体 代 码 。第 4 章 介 绍 应 用 于 本 次 实 验 的 两 个 开 发 模 块 FT311D 模 块 及 FT232RL模 块 、 电 脑
25、 端 及 FPGA 模 块 与 安 卓 设 备 之 间 ， 检 验 软 件 的 可 行 性第 2 章 可 见 光 通 信 技 术 及 系 统2.1 光 通 信 的 发 展 历 程2.1.1 光 通 信 的 关 键 突 破1880 年 ， 贝 尔 把 太 阳 光 当 作 光 源 ， 以 大 气 为 传 输 媒 质 ， 用 硒 晶 体 接 收 光 ，成 功 实 现 光 电 话 ， 通 话 距 离 最 远 达 到 213 米 。 1881 年 ， 贝 尔 用 一 篇 题 为 关于 利 用 光 线 进 行 声 音 的 产 生 与 复 制 的 论 文 ， 报 导 了 他 的 光 电 话 装 置 。196
26、0 年 ， 美 国 著 名 科 学 家 梅 曼 （ Meiman） 发 明 了 世 界 上 第 一 个 红 宝 石 激光 器 。 激 光 器 发 出 的 激 光 谱 线 很 窄 ， 比 传 统 的 光 源 要 窄 好 多 ， 而 且 强 度 又 高 、方 向 性 又 好 、 相 干 性 还 好 ， 是 极 为 理 想 的 相 干 光 源 ， 作 为 信 息 的 载 体 是 最 好不 过 的 了 。 在 光 纤 发 展 起 来 之 后 ， 不 可 见 光 通 信 系 统 渐 渐 成 熟 起 来 。2.1.2 LED 照 明 技 术 的 兴 起最 近 几 年 ， 随 着 发 光 二 极 管 Lig
27、ht Emitting Diode， LED 半 导 体 器 件 的 照明 技 术 发 展 迅 速 ， 将 信 号 调 制 到 LED 灯 上 ， 使 LED 具 有 照 明 和 通 信 两 种 功 能 ，北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4实 现 可 见 光 传 输 信 息 的 技 术 也 逐 渐 发 展 起 来 。 随 着 工 艺 的 不 断 进 步 ， 白 光LED 光 源 得 以 生 产 。 白 光 LED 灯 的 出 现 使 高 效 率 照 明 技 术 前 进 了 一 大 步 ， 也使 可 见 光 通 信 得 以 有 载 体 传 输 信 息 。白 光
28、LED 采 用 电 场 发 光 和 低 电 压 供 电 ， 具 有 寿 命 长 、 光 效 高 、 稳 定 性 高 、安 全 性 好 、 无 辐 射 、 低 功 耗 、 抗 震 、 可 靠 耐 用 等 特 点 ， 几 乎 综 合 了 各 种 传 统 光源 的 优 点 ， 被 誉 为 2l 世 纪 新 固 体 光 源 时 代 的 革 命 性 技 术 。 用 白 光 LED 来 传输 超 高 速 数 据 是 明 智 的 选 择 。 白 光 LED 可 以 在 波 长 450nm 至 470nm 的 蓝 光LED 上 覆 盖 一 层 YAG 淡 黄 色 荧 光 粉 涂 层 制 成 ， 这 种 黄 色
29、 磷 光 体 是 掺 了 铈 的钇 铝 石 榴 石 (Ce3+:YAG)晶 体 磨 成 粉 末 后 和 一 种 稠 密 的 黏 合 剂 混 合 制 成 的 。2.1.3 光 通 信 基 本 概 念 及 其 优 点光 通 信 指 的 是 用 光 作 为 信 息 的 载 体 来 传 递 信 息 ， 它 是 由 电 通 信 发 展 而 来 。 在光 通 信 以 前 基 本 是 利 用 电 通 信 。 光 通 信 技 术 是 与 成 熟 的 电 通 信 技 术 密 不 可 分的 。 现 代 的 光 通 信 技 术 基 本 还 是 电 通 信 技 术 和 光 子 技 术 相 结 合 的 技 术 。 光
30、通 信技 术 与 电 通 信 技 术 相 结 合 ， 使 得 通 信 技 术 在 电 通 信 技 术 的 基 础 上 多 加 上 了 光 通信 的 优 点 。 这 些 优 点 有 ：1) 容 许 的 频 带 很 宽 ， 在 不 同 频 带 上 传 输 都 可 以 。2) 传 输 带 宽 较 大 ， 容 量 较 大 。3) 损 耗 较 小 ， 经 中 继 后 可 传 输 的 距 离 很 长 。4) 误 码 率 较 小 。5) 抗 电 磁 干 扰 。6) 安 全 性 高 ， 保 密 性 好 。7) 节 约 金 属 材 料 。2.2 可 见 光 通 信 的 工 作 原 理2.2.1 传 统 不 可
31、见 光 无 线 通 信 技 术北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5可 见 光 是 电 磁 波 谱 中 人 眼 可 以 感 知 的 电 磁 波 部 分 ， 不 可 见 光 是 指 除 可 见光 外 其 他 所 有 人 眼 所 不 能 感 知 的 电 磁 波 ， 包 括 无 线 电 波 、 微 波 、 红 外 光 、 紫 外光 、 x 射 线 、 射 线 、 远 红 外 线 等 。利 用 950nm 近 红 外 波 段 的 红 外 光 来 通 信 的 技 术 叫 红 外 通 信 技 术 。 红 外 通信 先 将 二 进 制 信 号 在 发 送 端 调 制 成 一 系
32、 列 脉 冲 串 信 号 ， 信 号 传 入 红 外 发 射 管中 ， 由 红 外 发 射 管 发 射 红 外 信 号 ， 信 号 经 过 红 外 信 道 传 输 到 接 收 端 ， 接 收 端将 接 收 到 的 光 脉 冲 转 换 回 电 信 号 。 电 信 号 经 放 大 、 滤 波 等 处 理 后 ， 进 入 解 调 电路 进 行 解 调 ， 还 原 成 二 进 制 数 字 信 号 ， 最 后 输 出 。利 用 在 200nm 到 280nm 之 间 的 紫 外 光 通 信 来 。 紫 外 光 通 信 基 于 大 气 散 射和 吸 收 ， 基 本 原 理 是 以 日 盲 区 的 光 谱
33、为 载 波 ， 将 信 息 电 信 号 在 发 射 端 调 制 ，然 后 加 载 至 紫 外 光 载 波 上 ， 信 号 通 过 大 气 散 射 作 用 传 播 ， 信 号 到 达 接 收 端 时 ，接 收 端 接 收 紫 外 光 束 ， 经 解 调 转 换 成 原 信 号 。 紫 外 光 通 信 在 复 杂 环 境 下 可 近距 离 通 信 ， 且 抗 干 扰 、 安 全 性 好 。射 频 频 段 的 无 线 电 波 应 用 最 广 泛 ， 无 线 电 技 术 利 用 导 体 中 电 流 强 度 的 改 变 产生 无 线 电 波 ， 通 过 把 信 号 调 制 到 无 线 电 波 上 进 行
34、 传 输 ， 在 接 收 端 ， 无 线 电 波会 引 起 电 磁 场 变 化 从 而 在 导 体 中 产 生 电 流 ， 将 信 号 从 电 流 中 解 调 出 来 就 实 现 了通 信 。2.2.2 可 见 光 通 信 技 术可 见 光 通 信 （ Visible Light Communications， VLC） 技 术 指 通 过 把 高 速 信号 调 制 到 半 导 体 器 件 LED 灯 上 进 行 传 输 ， 用 光 电 探 测 器 接 收 光 载 波 信 号 ， 因 肉眼 察 觉 不 到 光 LED 灯 的 高 速 调 制 ， 使 得 LED 灯 同 时 具 有 照 明 和
35、通 信 两 个 作 用 。室 内 可 见 光 通 信 是 在 LED 灯 发 展 起 来 之 后 新 兴 的 一 门 技 术 。通 信 系 统 发 射 端 将 信 号 调 制 成 电 信 号 ， 再 通 过 LED 灯 转 换 成 光 信 号 传 输 。接 收 端 用 光 电 探 测 器 将 可 见 光 信 号 接 收 并 转 化 成 电 信 号 ， 最 后 解 调 信 号 读 取 。传 统 光 通 信 利 用 不 可 见 光 ， 一 般 是 无 线 电 磁 波 传 播 信 息 。 由 于 传 统 光 通 信已 经 很 成 熟 了 ， 相 匹 配 的 标 准 也 是 很 受 业 界 支 持 采
36、 用 。 传 统 的 光 通 信 可 以 利 用中 转 站 传 输 到 很 远 的 地 方 ， 而 且 覆 盖 面 特 别 广 。 但 无 线 电 占 用 无 线 电 磁 谱 ， 高频 的 无 线 电 磁 波 还 容 易 被 电 子 设 备 干 扰 ， 且 对 人 体 有 电 磁 辐 射 伤 害 ， 这 些 缺 点北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）6使 得 可 见 光 通 信 的 优 点 显 现 出 来 。 可 见 光 通 信 不 占 用 无 线 电 磁 谱 ， 没 有 电 磁 干扰 和 电 磁 辐 射 ， 虽 然 传 输 距 离 受 到 限 制 ， 但 从 另
37、 一 方 面 讲 可 以 使 得 信 息 不 泄 漏 ，保 证 了 信 息 的 安 全 。 可 见 光 通 信 的 通 信 速 度 可 达 兆 每 秒 或 百 兆 每 秒 ， 通 过LED 灯 照 射 就 可 以 传 输 信 息 ， 通 信 速 率 可 以 保 证 多 台 电 脑 同 时 使 用 。本 节 主 要 介 绍 了 光 通 信 的 发 展 以 及 可 见 光 通 信 的 工 作 原 理 ， 与 传 统 光 通信 不 同 的 是 ， 可 见 光 通 信 系 统 所 用 的 可 见 光 波 长 范 围 为 紫 色 的 380nm 到 红 色的 780nm， 这 也 体 现 了 可 见 光
38、 通 信 系 统 既 能 用 来 照 明 ， 又 能 用 来 通 信 的 特 点 。下 一 节 我 们 会 讨 论 可 见 光 通 信 在 室 内 定 位 技 术 里 的 应 用 。2.3 室 内 可 见 光 通 信 系 统2.3.1 典 型 室 内 可 见 光 通 信 系 统 基 本 组 成北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）7图 21 室 内 可 见 光 通 信 系 统 结 构 示 意 图如 图 所 示 为 室 内 可 见 光 通 信 系 统 的 典 型 结 构 图 ， 该 系 统 包 含 白 光 LED 光源 、 可 见 光 无 线 集 线 器 （ VLC
39、Hub） 、 计 算 机 、 可 见 光 通 信 适 配 器 （ VLC Adapter） 、 光 电 探 测 器 （ PD） 及 相 应 信 号 处 理 单 元 等 。 计 算 机 发 出 信 息 ， 通过 适 配 器 把 信 息 传 输 到 天 花 板 上 的 光 电 探 测 器 ， 探 测 器 将 光 信 息 转 换 成 电 信 号 ，在 传 入 无 线 集 线 器 。 集 线 器 将 信 号 处 理 后 通 过 光 源 发 射 出 去 ， 到 达 计 算 机 接 收端 时 ， 信 号 被 解 调 出 来 ， 传 入 计 算 机 实 现 通 信 。可 见 光 通 信 系 统 包 括 下
40、行 链 路 (down link)和 上 行 链 路 (up link)两 部 分 ， 两条 链 路 都 包 括 发 射 和 接 收 。 由 白 光 LED 光 源 和 信 号 处 理 单 元 完 成 发 射 部 分 。LED 主 光 源 在 天 花 板 上 ， 每 个 用 户 的 适 配 器 上 还 都 有 一 个 用 户 光 源 。2.3.2 室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统如 图 所 示 为 室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统 结 构 图 ：图 22 室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统 结 构 图北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）
41、8室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统 包 括 LED 灯 、 光 电 探 测 器 、 FPGA 信 号 处 理 模块 等 。 室 内 可 见 光 系 统 也 有 上 行 链 路 和 下 行 链 路 。 其 中 上 行 链 路 由 用 户 发 送 信息 至 服 务 器 ， 下 行 链 路 由 服 务 器 发 送 信 息 至 用 户 。在 实 验 中 有 三 个 两 两 相 距 20cm 的 LED 灯 在 光 电 探 测 器 上 方 ， 光 电 探 测器 放 置 于 三 个 LED 灯 之 间 。 下 行 链 路 中 ， LED 灯 发 出 的 光 经 过 不 同 的 距 离 传输 到
42、光 电 探 测 器 上 ， 接 收 到 来 自 三 个 不 同 的 LED 灯 发 出 的 光 ， 探 测 出 距 离 三个 LED 灯 的 距 离 信 息 ， 把 距 离 信 息 传 输 到 FPGA 模 块 ， FPGA 模 块 把 信 息 进行 处 理 。 在 FPGA 模 块 中 ， 以 其 中 一 个 LED 灯 为 原 点 ， 三 个 LED 灯 组 成 的三 角 形 的 一 边 为 x 轴 ， 建 立 坐 标 系 ， 把 接 收 到 的 距 离 信 息 转 化 成 位 置 坐 标 信 息并 输 出 ， 通 过 有 线 的 方 式 传 输 至 终 端 显 示 ， 完 成 下 行 链
43、 路 。在 实 验 中 用 安 卓 系 统 来 作 为 终 端 来 显 示 数 据 ， 同 时 安 卓 系 统 还 可 以 把 用户 的 信 息 还 可 以 发 送 回 服 务 器 ， 也 就 是 可 以 实 现 上 行 链 路 。 但 安 卓 可 以 用 多 种方 式 连 接 。 大 致 有 以 下 三 种 方 式 ：1) 用 音 频 接 口 连 接 。 音 频 接 口 传 输 速 率 不 快 ， 而 且 以 音 频 信 号 为 主 ， 在这 里 不 是 很 适 合 用 作 信 号 传 递 的 接 口 。2) 用 蓝 牙 连 接 。 蓝 牙 可 以 无 线 传 播 ， 速 率 也 可 以 很
44、 快 ， 但 蓝 牙 一 旦 遇 到人 多 的 时 候 就 有 可 能 连 接 不 上 。3) 用 USB 接 线 连 接 。 USB 接 线 可 以 连 接 到 安 卓 上 ， 虽 然 是 用 有 线 的 方式 ， 但 它 克 服 了 多 个 终 端 同 时 连 接 的 问 题 ， 传 输 速 率 可 以 很 快 。 是 实验 中 比 较 理 想 的 连 接 方 式 。2.3.3 可 见 光 光 通 信 系 统 的 特 点与 普 通 光 无 线 通 信 和 射 频 通 信 相 比 ， 可 见 光 通 信 具 有 以 下 突 出 特 点 4：1)可 见 光 无 毒 无 害 ；2)可 见 光 可
45、 以 通 过 室 内 LED 灯 安 装 ， 方 便 快 捷 。3)发 射 功 率 高 。 普 通 光 无 线 通 信 如 果 发 射 功 率 一 高 会 损 害 人 的 眼 睛 ， 因 而 发射 功 率 不 能 太 高 。 而 可 见 光 无 害 ， 发 射 功 率 较 高 。北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）9本 章 介 绍 可 见 光 通 信 系 统 的 组 成 及 室 内 可 见 光 通 信 定 位 系 统 的 组 成 ， 是 本 实验 所 依 赖 的 系 统 ， 也 是 实 验 的 基 础 。 下 一 章 将 介 绍 可 见 光 通 信 系 统 中 信
46、 号 处 理的 模 块 。第 3 章 通 信 平 台 的 建 立3.1 信 号 处 理 模 块 FPGA 模 块 结 构 与 接 口3.1.1 FPGA 基 本 组 成FPGA 是 英 文 Field Programmable Gate Array 的 缩 写 ， 即 现 场 可 编 程 门阵 列 ， 它 是 在 PAL 可 编 程 化 阵 列 逻 辑 Programmable Array Logic、 GAL 通 用阵 列 逻 辑 Generic Array Logic、 CPLD 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 Complex Programmable Logic Device 等 可
47、 编 程 器 件 的 基 础 上 更 新 一 步 发 展 的 产 物 。 现场 可 编 程 门 阵 列 是 专 用 集 成 电 路 （ ASICApplication-specific integrated circuit） 领 域 中 的 一 种 半 定 制 电 路 ， 有 定 制 的 优 点 ， 且 与 传 统 可 编 程 器 件 相 比 ，它 还 有 多 种 门 电 路它 的 出 现 不 但 解 决 了 定 制 电 路 的 不 足 ， 而 且 克 服 了 原 有 可 编 程 器 件 门 电 路数 有 限 的 缺 点 。FPGA 采 用 逻 辑 单 元 阵 列 LCA（ Logic Cel
48、l Array） ， 内 部 包 括 可 配 置 逻 辑模 块 CLB（ Configurable Logic Block） 、 输 出 输 入 模 块 IOB（ Input Output Block） 和 内 部 连 线 （ Interconnect） 三 个 部 分 。3.1.2 FPGA 的 特 点1) FPGA 可 以 设 计 ASIC 电 路 ， 不 需 要 生 产 芯 片 。2) FPGA 可 作 为 试 样 测 试 全 定 制 或 半 定 制 ASIC 电 路 。3) FPGA 内 部 有 极 其 丰 富 的 触 发 器 和 I/O 引 脚 。4) FPGA 的 设 计 周 期
49、很 短 、 开 发 费 用 很 低 、 风 险 非 常 小 的 器 件 。5) FPGA 用 了 高 速 CHMOS 工 艺 ， 功 耗 低 且 兼 容 CMOS、 TTL 电 平 。北 京 理 工 大 学 本 科 生 毕 业 设 计 （ 论 文 ）103.1.3 FPGA 的 配 置 模 式FPGA 用 芯 片 中 的 RAM 存 入 程 序 ， 根 据 程 序 来 设 置 工 作 状 态 ， 当 FPGA工 作 是 ， 需 要 在 RAM 中 写 入 程 序 。 程 序 可 以 配 置 FPGA 的 模 式 ， 不 同 的 配 置模 式 用 不 同 的 编 程 方 式 写 入 。 加 电 时 ， FPGA 芯 片 将 EPROM（ Erasable Programmable Read Only Memory） 中 的 数 据 读 入 芯 片 内 的 编 程 RAM 中 ， 完成 后 ， FPGA 开 始 工 作 。 断 电 后 ， FPGA 内 部 逻 辑 关 系 消 失 ， 这 使 得 FPGA 可以 重 复 使 用 。 FPGA 编 程 无 须 专 用 的 编 程 器 ， 用 通 用 的 EPROM 或 PROM 就可 以 。 要 改 变 程 序 功 能 时 只 需 换 一 片 EPROM 就 可 以 了 。 所 以 ， FPG
