【正文】 耗低，電壓低以及尺寸小等優(yōu)點。本次 將 設(shè)計一個 采用以CortexM3處理器為內(nèi)核 的 STM32F103RCT6 作為主控 ， 來實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號實時傳輸。隨著 LED 產(chǎn)業(yè) 的迅猛發(fā)展 ,基于 LED 照明 設(shè)備的一系列 智能照明應(yīng)用被越來越多的挖掘出來 ,LED 燈泡也隨之變得更加的智慧和神奇。 正在此刻 ,LED 遇見可見光通信 ,正待開啟 LED 下一個“奇幻”之旅 !“當(dāng)前 ,基于可見光通信技術(shù)下開發(fā)的 LED 燈泡已經(jīng)成長為具有照明、通信、跨界應(yīng)用等多重意義及用途的智能照明設(shè)備 ,且迎來了發(fā)展的大好時機。 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎得主中村修二在訪臺期間也預(yù)言 ,“ LED 產(chǎn)業(yè)的下個殺手級應(yīng)用是可見光通信。 作為一種新興的通信技術(shù)， LED 可見光通信提出的歷史不算久遠(yuǎn)，早在 2020 年以前，就有研究人員提出利用 LED 發(fā)出的光來進行通信的設(shè)想，并付諸實驗，實現(xiàn)了一些簡單的通信系統(tǒng)。這些設(shè)想方案提出時， LED照明技術(shù)還沒有受到重視，對 LED 可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)也沒有進行深入研究，其影響力有限。 基于可見光 照明光源的通信技術(shù)是隨著 發(fā)光二極管 的發(fā)展而興起的 。白光 LED的另外一個突出優(yōu)點是可以實現(xiàn)快速調(diào)制，因此可以用其進行超高速數(shù)據(jù)傳輸。 其另一個非常突出的優(yōu)點是 響應(yīng) 時間極短，所以 可以用 LED的光信號變化來進行超高速數(shù)據(jù)傳輸 。 與傳統(tǒng)的射頻通信 和紅 外通信相比，可見光通信具有節(jié)約能源、發(fā)射功率高 、無電磁干擾 和無需申請頻譜資源 等優(yōu)點，因此可見光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景。用于通信的照明燈可以安裝在任何地方，通過照明燈，可以很方便地實現(xiàn)告訴無線數(shù)據(jù)通信； 2）可見光對人類非常安全。對于射頻通信，射頻信號對人體有害，也不能無限制地增加發(fā) 射功率，而對于發(fā)射的是可見光，故發(fā)射功率較高。 本 項目設(shè)計要求 本項目的任務(wù)設(shè)計白光通信系統(tǒng)，要求達到以下指標(biāo)： 1） 白光通信系統(tǒng)裝置利用 LED 燈和光電傳感器作為收發(fā)器件，用來同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號； 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 2） 傳輸距離為 2m； 3）傳輸?shù)哪M信號為語音信號，頻率范圍 300Hz～ 3400 Hz，要求接收到的聲音 無明顯失真 ，輸出 的語音信號 負(fù)載為 8? ,要求輸出功率不小于 ； 4） 傳 輸?shù)臄?shù)字信號為環(huán)境溫度，并能在接收端顯示，要求數(shù)字信號傳輸時延 不超過 10s，溫度測量誤差不超過 2℃ 。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 第 二章 總體方案設(shè)計 與論證 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)使用可見光信道，由發(fā)射裝置將語音信號和溫度信息實時定向傳輸至接收裝置，且傳輸距離不 小于 2m。 發(fā)送部分語音信號作為模擬信號經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后，由 STM32F103 的內(nèi)部12 位 ADC 對其采樣，溫度傳感器 TMP275 的溫度信號作為數(shù)字信號，主控對采集到的語音信號采用脈沖編碼調(diào)制（ PCM）對其信源編碼，然后將其數(shù)據(jù)協(xié)同數(shù)字信號采用時分復(fù)用的方式送入串口發(fā)送的寄存器，通過串口輸出到 LED 驅(qū)動電路可直接發(fā)送出去。 白 光 接收M C U濾 波語 音信 號M C U信 號調(diào) 理L E D 發(fā) 射發(fā) 射 裝 置 接 收 裝 置音 頻 功放溫 度 傳感 器O L E D 圖 白光通信裝置系統(tǒng)架構(gòu) 處理器的選取 目前單片機己經(jīng)進入廣泛發(fā)展時代，種類很多，如何選擇性價比最優(yōu)，開發(fā)容易，開發(fā)周期最短的產(chǎn)品，是 設(shè)計師 要 思考的重要 問題之一。 選購 MCU 主要應(yīng)看重兩個方面：一是設(shè)計的系統(tǒng)要哪些 資源；第 二是 結(jié)合成本選擇性價比高 的單片機。除此之外 ，軟件編寫的難易程度也是重要考慮的 因素。 該芯片操作簡單，庫函數(shù)豐富，價格低廉，成本低，易 控制，但 RAM 僅為 4 KB，處理速度不快，難以用在精密控制、精 密測量以及高速 大數(shù)據(jù)傳輸中。 方案三： STM32F103 嵌入式處理器 STM32F103 嵌入式處理器是意法半導(dǎo)體公司的 32 位處理器 。 STM32F103時鐘頻率達到 72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。時鐘頻率為 72MHz 時， I/O 可以滿足音頻加數(shù)字信號的發(fā)射速度， STM32 功耗 36 mA，是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于 mA/MHz。 光電器件的選取 可見光通信是利用 400nm～ 760nm 可見光波段作為傳遞信息的載體，由于本課題要求傳輸距離需大于 2m， 同時保證 盡量低功耗， 且 為了更好地匹配發(fā)射管， 在現(xiàn)有的器件中選用接收波段在 350nm～ 1100nm的 BPW34 作為可見光接收管。 如圖 為 BPW34 的光譜靈敏度。便于單片機處理及控制，節(jié)省硬件電路。 方 案二： TMP275 是一個精度為 ℃ 、兩線制、串行輸出溫度傳感器，采用 I2C湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 與主控通信，可直接輸出數(shù)字信號。 系統(tǒng)供電電源 白光通信系統(tǒng)供電 電源 的設(shè)計是本設(shè)計中的一項 重要的工作，它對整個 白光通信 系統(tǒng)是否正常運行起著至關(guān)重要的作用。 單片機系統(tǒng)的大部分芯片都以脈沖方式工作，對于較小的系統(tǒng)，功率消耗的脈沖特性尤為 突出，而 對于 較大的系統(tǒng) ，由于器件功耗的分散性，使得系統(tǒng)整體的功率消耗比較平穩(wěn)。 電 平設(shè)計指的是直流電壓幅度和電源在最不利（滿載）情況下的紋波電壓峰峰值設(shè)計。因此，必須按系統(tǒng)中對電平要求最高的器件條件進行設(shè)計。對于上述 3 種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機系統(tǒng)正常運行和工作。本次設(shè)計發(fā)射接收部分均專門設(shè)計了以 STM32F103RCT6 為主控的系統(tǒng)板，發(fā)射接收的系統(tǒng)板相同，其系統(tǒng)板把 STM32F103RCT6 芯片的 I/O 口用間距 引出 來 ，方便其靈活應(yīng)用 ，具體 電路如圖 所示。 本電源 輸入端接 220V 交流供電，經(jīng)變壓器降壓后 采用橋式 對其全波整流、 電容濾波、三端 線性 穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生 +5V 和 + 直流電壓，固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片 為LM7805 和 。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 IN1G2OUT3U1K78051000uF/35VC1GNDC3100uFC4VCC+5V~1~2+45U2DB107220V_AC2D2LEDGND121Header2122Header2220V_B1 2D1M7C5104/630R130k123 456K110mHI1GND GND GND GNDGND123U3LM1117C610ufC710ufC8104C9104+T1TRANS1保險絲VCC+5V 圖 系統(tǒng) 穩(wěn)壓 電源 電路 信號采集模塊 語音信號調(diào)理模塊 語音 信號前級處理主要是對語音信號進行放大，是其適合在 STM32F103RCT6 的 AD輸入電壓范圍 0～ 之間，電路原理圖如圖 所示 。理論計算如下： 1）輸入電阻 ?iR ∞ （ 31） 2）輸出電阻 ??100OR （ 32） 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 3）電壓增益 3RR 914 ??VA （ 33） （ 4） 輸出電壓 re fire fiv VVVA V*3V o ???? （ V） （ 34） * 21 2 ??? RR RV ref V （ 35） 由以上分析可知， 給輸出電壓加上了直流電壓 ，正好是 STM32F103 的 ADC轉(zhuǎn)換 器所能接收范圍的中心 ，運放的電壓增益為 3，這樣使其 正好適合 ADC 采集的范圍，使其更精確的采集到 語音信號。 R2110KSDA1SCL2ALERT3GND4A25A16A07V+8U3TMP275R2010KSDASCLC22104DGND1 圖 TMP275溫度傳感器電路 發(fā)射 接收 電路模塊 發(fā)射驅(qū)動模塊 發(fā)射驅(qū)動電路 是 直接從 STM32F103 的 IO 口輸出信號， 然后用 NPN 型 三極管 來 驅(qū)動LED 燈，其發(fā)射驅(qū)動電路如圖 所示，其中 R5電位器可調(diào)節(jié)其 LED 燈的亮度，相當(dāng)于調(diào)節(jié)發(fā)射功率。具體點路如圖 所示，電位器 R20 可調(diào)節(jié)光電接受管導(dǎo)通是的壓降。 CS132184U5ALM393GND GNDC24104C2510uFGNDR262KVCCR221KR29203C27104VCCR1910KRXI310uHGNDD3BPW34C26103R211KR18680K503R20C2310uHI2C22VCCVCCGNDGNDGNDGNDC28104VCCD4BPW34R2839KR2739KVCC+32184U4ANE5532R23203GND 圖 光信號接收電路 人機接口 顯示 模塊 本系統(tǒng)以單色 OLED 顯示屏（ 128 64）點陣構(gòu)成人機接口的硬件基礎(chǔ)。其具有低功耗、無需背光、高對比度、內(nèi)置驅(qū)動芯片等優(yōu)點，系統(tǒng)的人機交互界面友好，液晶接口電路如圖 。 +GNDD/CCS1FSOCS2SPI2_SCKSPI2_MOSI12345678OLED 圖 液晶接口電路 語音信號輸出模塊 語音信號經(jīng) STM32F103 的 DA 輸出，為了濾除噪聲減小干擾，由于語音信號的頻率是在 300Hz 和 3400 Hz之間，所以需要采用帶通濾波器。有源的運算放大濾波器用阻容元件，體積小，有大量的現(xiàn)成表格可供設(shè)計時查閱。選擇帶通濾波器濾出 300Hz～3400Hz 語音信號頻率范圍的信號，可有效地抑制噪聲。 帶通濾波器根據(jù)品質(zhì)因數(shù) Q 的大小，分為窄帶帶通濾波器（ Q10）和寬帶濾波器（ Q10）兩種，本系統(tǒng)中的上限頻率 KHzf ? ，下限頻率 Hzf 300L ? ，同頻帶中心頻率 Of 與品質(zhì)因數(shù) Q 分別為 HzHzfff LH 1 0 1 03 0 03 4 0 0O ???? （ 36） )3003400( 1010 ?????? HzHzff fBWfQ LH OO （ 37） 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 R13GNDR1039KR14 39KGNDC16 104+567U1BOPA2340GND GNDC2104C310uFGNDVCCVCC+32184U1AOPA2340R35KC822nFR45KC718nFR210KC1 1nFR510KC12106GNDref1ref1GNDI110uHC582nFC682nFC947nFC4 47nFR7R8R151KGNDDA1CS2Vout 圖 帶通濾波電路 顯然， Q10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器。 經(jīng)平滑濾波器輸出的語音信號，其幅度 0～ 3V，為滿足題目要求的 的功率輸出，音頻功率放大器采用典型器件 LM386 制作， LM386 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，最大輸出功率可達 ，為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為 20。輸入端以地為參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半 。通過 R11 可調(diào)節(jié)音頻功放輸入信號的幅值 ， LM386 增益設(shè)定為 50，輸出端接電阻為 8? 喇叭播放出來 。本課題的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方法 ， 全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn) C語言編寫，并附帶有詳細(xì)的注釋，增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性 ，系統(tǒng)總體架構(gòu)分為發(fā)射和接收兩部分 。在定時器中斷函數(shù)中，設(shè)置一個標(biāo)志位 Flag(0～ 255)，通過標(biāo)志位來控制分時發(fā)送溫度標(biāo)志位、發(fā)送溫度和發(fā)送AD 采集后編碼的數(shù)值 ， 發(fā)射裝置 語音信號采集是 通過 ADC 的單通道模式自動采集數(shù)據(jù) 。 開 始進 入 中 斷F l a g = 2NY發(fā)