基于STM32的LED可见光音频通信装置设计

基于STM32的LED可见光音频通信装置设计
作者：刘永勤韩丽君
来源：《数字技术与应用》2020年第09期
摘要：针对LED可见光通信技术的应用，本文设计了一款基于STM32的可见光音频通信装置，采用白光LED实现可见光通信。

该设计以STM32F103单片机为主控芯片，设计包括系统硬件设计和程序设计两部分，音频解码模块选用VS1053b。

设计实现了音频信号的定向传输，传输过程中无明显失真，传输距离可达4m。

关键词：白光LED;可见光通信;STM32F103单片机;VS1053b音频解码芯片
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0029-02
可见光通信（VLC）是一种采用可见光波段频谱传输信息的技术。

VLC技术依托广泛覆盖的照明灯具、显示屏幕、照相设备等发光二极管（Light Emitting Diode，LED）光源所发出的肉眼不易察觉的高速明暗变化来传递信息，它兼顾LED照明和数据通信功能，不仅能作为室内宽带通信接入方式，解决无线局域网“频谱紧张”、“深度覆盖”等问题，还可以实现智能交通管理、室内定位应用等，将在未来通信领域占有重要的地位。

国内外研究方面，日本学者首先提出了VLC的概念[1]。

2000年，日本研究学者首先提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。

2008年，欧盟开展OMEGA项目，发展1Gbit/s以上的超高速家庭接人网研究，VLC无线通信技术是研究焦点之一。

2012年，英国、美国的科学家开展“超并行可见光通信”（UP-VLC）项目，探索自由空间和空间复用导波VLC的实施方案[2]。

国内对VLC技术的研究起步较晚，西安理工大学、暨南大学、长春理工大学等高校在该领域进行了大量的研究，也取得了很多研究成果[3]。

1 系统设计
1.1 可见光通信原理
LED可见光通信系统包括完整的发射端、传输信道和接收部分。

原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED，对LED进行强度调制，将电信号转换为光信号。

预处理，即预均衡，是为了补偿器件、信道对信号带来的失真，通过采用预均衡技术可以提高LED的响应带宽，提高传输速率。

而在接收端进行的后均衡，可以补偿其他信道损耗，如相位噪声等。

编码调制是为了在有限的带宽上实现更高的传输速率。

由于受到可见光通信带宽的限制，为了提高白光LED通信系统的传输速率，在发射端可以通过设计和采用高阶的调制编码技术，来提高传输的频谱效率，从而实现高速传输。

目前多采用高阶调制格式为QAM-OFDM。

1.2 设计方案
根据可见光通信原理，本文设计了一款基于单片机的可见光音频通信装置，主要用于短距离音频通信，装置以STM32F103单片机作为主控器件，主要包含音频存储器、发射模块、接收模块三个部分。

在发射端，由STM32F103单片机、W5500通信单元、VS1053b音频解码芯片和LED可见光调制电路组成。

W5500通信单元连接存储器和发射端控制模块，将存储器的音频数据经转换后送入单片机控制单元，单片机将音频数据写入解码芯片VS1053b变为音频模拟信号，然后送到LED调制电路进行强度调制，调制电路选择光源LWW5SM，通过强度调制方式将电信号转换为光信号。

在接收端，由可见光接收电路、驱动电路和扬声器组成，采用光电二极管BPX65作为接收器件。

系统设计框图如图1所示。

本设计选取STM32F103单片机为核心控制器件，该器件功耗低、性能高，同时集成了复位模块和时钟晶振。

在扬声器驱动部分，因为话筒直接接单片机存在信号过于微弱，需要选择一个对音频信号进行等比放大的芯片来进行信号放大。

MAX9814用于对话筒的信号进行放大处理，它可以完成对声音信号进行20DB的增益放大，使得ADC转换可以更好的完成，避免了声音采集过程中出现声音过小的情况。

我们选用MAX9814音频放大器，音频信号首先由单片机进行采集，然后经MAX9814芯片进行放大。

2 系统程序设计
本设计实现软件功能的主要语言为C++，软件平台使用意法半导体公司发布的
STM32CubeIDE集成开发环境。

软件的设计主要分为主机程序（声音采集与发射端）、从机程序（接收与声音还原端）两大模块。

可以在开发过程中，使用意法半导体推荐的HAL库进行开发，这样可以提高软件开发效率，并且缩短开发的周期。

该系统的程序设计分别是由串口初始化、ADC初始化、DMA初始化和循环信号采集与发送组成。

从机程序主要有系统初始化、使能串口中断、DAC初始配置，开启中断、接收数据并配置给DAC。

3 系统调试
该装置在测试时，使LED正对着光电探测器，用信号发生器输入1kHz的正弦交流信号，改变发射端和接收端的距离进行测试，通过示波器观察接收端波形。

通过在发射端输入音频信号实验发现，随着发射端和接收端距离的逐渐增大，扬声器发生的声音在逐渐减小直至消失，在不加透镜聚光的情况下通信距離达30cm。

在发射端和接收端中间用遮光片逐渐遮挡接收端探头，扬声器的声音逐渐减小，当遮光片完全遮挡探头时，扬声器声音消失。

4 结论
本装置结果简单，成本低廉，通过LED强度调整将音频信号以可见光形式发射，通过光电探测器件将其恢复为原始音频信号通过扬声器播放，实现了可见光音频的通信功能。

该装置通过增加透镜聚光和光反射等方式，通信距离可以提高到4m，同时该装置还具有白光照明的优点。

参考文献
[1] 丁德强，柯熙政.可见光通信及其关键技术研究[J].半导体光电，2006（2）：114-117.
[2] 迟楠.LED可见光通信技术[M].北京：清华大学出版社，2013.
[3] 云文岳.室内可见光通信系统调制与解调技术研究[D].长春：长春理工大学，2008.。