CN111585652A - 一种可见光通信与能量收集*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可见光通信与能量收集***，涉及可见光通信与能量收集领域，其中，***包含发射装置和接收装置，发射装置包含依次连接的FPGA调制模块、预均衡模块、LED阵列驱动模块；接收装置包含并行关系的信息接收模块和能量接收模块，其中信息接收模块包含依次连接的光电探测器、后均衡模块、FPGA解调模块，能量接收模块包含依次连接的硅光电池、能量收集模块和能量管理模块；本发明收发两端设计的均衡电路模块结构简单，降低***复杂度与设计成本的同时可以显著提高收发装置的调制带宽；***接收装置在接收光信号的同时可以收集信号光与环境光的能量，通过能量管理模块合理分配能量资源，最终实现***能量自给。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及一种可见光通信与能量收集***。
背景技术
目前，无线通信技术受到载波频率和物理带宽限制，人们迫切寻求一种新的无线通信技术。为了满足未来无线通信的需求，传输速率更快带宽更高的光通信技术便应运而生。作为未来无线传输额外补充的通信方式，可见光通信（Visible Light Communication,VLC）是一种可同时兼顾“照明和通信”的无线通信技术，具有频谱资源丰富、低功耗等诸多优点。
VLC采用发光二极管（Light-Emitting Diode, LED）作为光源，具有高亮度、低功耗、寿命长等诸多优点，同时可以将电信号通过调制技术加载在可见光上进行传输，但是LED自身的窄带特性影响VLC***调制带宽。为了解决这一问题，可采用硬件均衡技术。硬件均衡技术作为提升VLC***带宽的一种有效方法，在设计过程中存在复杂度与成本过高的问题，如：“T”型均衡器、多谐振均衡器，还存在拓扑结构复杂、灵活度低的问题，这些问题严重限制了VLC的发展。
在传统无线通信中，常常采用能量收集技术将微弱的射频信号能量转换为电能量，并为小型基站、中继节点供能，实现无线通信***的能量复用。VLC发展理念是“绿色、节能”，在VLC***中除了拥有丰富的频谱资源外，LED本身就是一种能量源，将LED发出的光能转换电能为可见光通信设备供能，则可以实现照明、通信与能量复用。如何设计新的可见光通信***，兼顾“照明、通信、能量复用”，充分体现绿色通信的方式是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提出一种可见光通信与能量收集***，旨在解决因器件不匹配和非线性而导致***带宽较低的问题，大幅提高***调制带宽和传输速率，降低***设计的成本和制作复杂度，利于可见光通信的推广；同时，设计的能量接收装置可以将接收到的光能充分转换为电能为***运行提供能量，整个通信***兼顾“照明、通信、能量复用”三重供能，充分体现“绿色、节能、循环”的通信思想。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种可见光通信与能量收集***，包含***发射装置和接收装置；
所述可见光通信发射装置用于发射调制信号，包含依次连接的FPGA调制模块、数模转换模块、预均衡模块、LED驱动模块、LED光源阵列；
所述接收装置，用于接收发射装置传输的信号和光能量，包含并行关系的通信接收模块和能量接收模块。
其有益效果是信息的接收和能量的接收分两路并行同时接收，互不干扰。
所述通信接收模块，用于接收发射模块发送的加载在可见光上的调制信号，包括依次连接的PIN光电探测器阵列、光电转换模块、后均衡模块、模数转换模块、FPGA解调模块；
所述能量接收模块，用于接收发射模块发送的信号光与环境光能量，实现***能量自给，包含依次连接的硅光电池组件、能量收集模块、能量管理模块、储能电池。
所述FPGA调制模块，用于将信源发出的信号进行调制，并将调制信号发送至D/A数模转换模块；所述D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号并输出至均衡电路；所述预均衡模块，用于将输入的模拟信号进行均衡处理并传输至LED驱动模块；所述LED驱动模块，用于将均衡电路输出电信号进行功率放大的同时驱动LED光源阵列长亮，输出加载调制信息的光信号。
所述PIN光电探测器阵列，用于接收可见光通信发射模块发出的光信号；所述光电转换模块，用于将接收的光信号转换为电信号，同时将电信号放大输出至后均衡模块；所述后均衡模块，用于将接收的模拟电信号进行均衡处理并传输至模数转换模块；所述模数转换模块，用于将均衡后的模拟信号转换为数字信号并传输至FPGA解调模块；所述FPGA解调模块，用于将接收到的调制信号进行解调。
所述硅光电池组件，用于接收发射光信号和环境光信号，并将收集光信号转换为电信号；所述能量收集模块，用于硅光电池组件的最大功率点追踪与升压转换，并将升压后的电信号传输至能量管理模块；所述能量管理模块，用于管理收集的所有能量，实现储能电池电量动态显示与***供能；所述储能电池，用于存储***的能量。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述预均衡电路包含第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻、第三电容和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接信号输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和信号输出Vout端，第三电容的另一端接地。
其有益效果在于所述预均衡电路提升信号发射功率，有效减少由LED等器件的非线性对调制带宽的影响，提升发射端调制信号带宽，同时具有拓扑结构简单，制作成本低的优点。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述后均衡电路电路包含第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容和运算放大器，光电转换信号Vi从负极输入，第八电阻与第六电容并联后接入运算放大器的负极输入端，第九电阻与第七电容并联，一端与运算放大器负极输入端相连，另一端与运算放大器输出端相连；第十电阻和第十电容并联，一端与运算放大器输出端相连，另一端为信号输出端Vo；运算放大器的正极输入端与地相连；第十一电阻一端与地相连，另一端与信号输出端Vo相连。
其有益效果在于所述后均衡电路可以有效提高接收信号幅值，减少信号相位偏转，滤除接收信号杂波，提升***带宽，也同样具有拓扑结构简单，制作成本低的优点。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述能量收集模块包含基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路和基于MAX669芯片的DC/DC升压电路；所述基于BQ25504最大功率点追踪电路用于收集信号光和环境光的微弱能量，同时使硅光电池输出电压保持稳定；所述基于MAX669的DC/DC升压电路用于放大基于BQ25504最大功率点追踪电路的输出电信号，使输出电压达到***供电要求。
其有益效果在于该模块在保持硅光电池输出电压稳定，提高能量输出最大功率，提升能量收集效率，同时不影响信息接收。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述能量管理模块包含基于ZS6366芯片的充电管理电路、***电路等。
其有益效果在于可以动态监控储能电池电量，使***获得更高更稳定的输出电流，根据负载和电池能量自主调节能量分配，保护***供电安全。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述FPGA调制与所述FPGA解调模块分别包含FPGA芯片以及分别与其连接的电源管理模块、时钟电路、复位电路和USB转串口；所述电源管理模块用于提供FPGA调制模块所需电能；所述复位电路用于清除FPGA调制与解调过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；所述时钟电路包含60M晶振，用于提供满足发射信号的频率；所述USB转串口用于实现电脑与FPGA调制模块的通信转换。
其有益效果在于所述FPGA调制模块与所述FPGA解调模块可以开放式编译调制和解调信号，根据***需求，自适应调整调制和解调信号的方法，运算速度快，提升信号传输效率。
作为本发明一种可见光通信与能量收集***的进一步优选方案，所述运算放大器的芯片型号为OPA690。
本发明具有以下优点：
（1）本发明设计预均衡电路和后均衡电路，可以有效减少由器材的非线性造成信号波形形变的影响，同时将接收到模拟信号波形归整、滤波，有效提高***调制带宽。
（2）采用运算放大器与三极管结合的预均衡驱动电路、运算放大器和无源器件组成的后均衡电路，在提升***调制带宽的同时，也降低电路的复杂度与制作成本。
（3）***接收端采用能量接收与信息接收并行的方式，有效避免了传输信号与传输能量间的干扰，同时提升传输速率和能量收集效率。
（4）整个***实现了“照明、通信、能量复用”；提高了***调制带宽、降低装置成本、降低装置复杂度，充分体现了“绿色、节能、循环”的通信方式。
附图说明
图1是本发明***整体结构示意图；
图2为本发明PGA调制模块和解调模块通用结构示意图；
图3为本发明预均衡电路原理图；
图4为本发明后均衡电路原理图；
图5为本发明后均衡电路幅频特性曲线；
图6为本发明能量收集模块结构示意图；
图7 为本发明基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路；
图8为本发明能量管理模块结构示意图；
图9为本发明均衡电路加入前后带宽变化对比图；
图10为本发明能量接收端输出电压随光照变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，使本发明的特征更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更清楚明确的限定。
如图1所示，给出了本发明***整体结构示意图，包含：发射装置和接收装置。
发射装置包含：依次连接的FPGA调制模块、数模转换模块、预均衡模块、LED驱动模块、LED光源阵列。图2给出PGA调制模块和解调模块通用结构示意图，其中，FPGA调制模块包含：电源管理模块、时钟电路、复位电路、USB转串口。FPGA调制模块将接收到信源的信号进行调制，并发送至D/A数模转换模块。电源管理模块用来给FPGA调制模块供电，有工作指示灯和开关的功能；复位电路用来清除FPGA调试过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；时钟电路包含60M晶振，可以满足发射信号的频率要求；USB转串口，实现电脑与FPGA调制模块的通信转换；D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号，并输出至预均衡电路。
预均衡电路，将输入信号进行均衡处理并输出至LED驱动电路。具体来说，图3为预均衡电路的原理图，所述均衡电路包含第一电阻R 1 、第一电容C 1 、第二电阻R 2 、第三电阻R 3 、第三电容C 3 和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接交流信号输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和交流信号输出Vout端，第三电容的另一端接地，其中所述运算放大器型号为OPA690。如图3所示，所述均衡电路的传递函数可以表示为：
其中，
，
，
为发射频率，对式（1）取模得：
在
增大时，
也增大，而OPA690可以获得1.6GHz高增益，因此可以得出，该均衡器的增益效果十分突出。
在本实施方式中，所述第一电阻R 1 =806
，所述第一电容C 1 =0.1uF，所述第二电阻R 2 =806
，所述第三电阻R 3 =100
，所述第三电容C 3 =10pF。以上参数的取值，与预均衡电路的整体效果有关，可以使预均衡电路具有较好的线性度和阻抗匹配特性。
接收装置，用于接收发射装置传输的信号和光能量，包含：并行关系的通信接收模块和能量接收模块。通信接收模块，用于接收发射模块发送的加载在可见光上的调制信号，包含：依次连接的PIN光电探测器阵列、光电转换模块、后均衡模块、模数转换模块、FPGA解调模块；能量接收模块，用于接收发射模块发送的信号光与环境光能量，实现***能量自给，包含依次连接的硅光电池组件、能量收集模块、能量管理模块、储能电池。由于通信接收模块和能量接收模块采用并行关系，带来的优点就是信号接收与能量接收互不干扰，最大化信息接收速率和能量收集效率。
后均衡电路，将光电转换电路的输出电信号进一步做放大、滤波处理，并将均衡后的电信号传输至FPGA解调模块。具体来说，如图4后均衡电路原理图所示，电路包含：第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容和运算放大器，光电转换信号Vi从负极输入，第八电阻与第六电容并联后接入运算放大器的负极输入端，第九电阻与第七电容并联，一端与运算放大器负极输入端相连，另一端与运算放大器输出端相连；第十电阻和第十电容并联，一端与运算放大器输出端相连，另一端为信号输出端Vo；运算放大器的正极输入端与地相连；第十一电阻一端与地相连，另一端与信号输出端Vo相连。
在本实施方式中，所述第八电阻R 6 =50
，所述第九电阻R 6 =2K
所述第六电容C 6 =0.1pF，所述第八电容、第九电容C 8 =C 9= 100nF，所述第十电阻R 10 =50
，以上参数的取值，与后均衡电路的整体效果有关，可以使后均衡电路获取较高的带宽增益，如图5所示后均衡电路幅频特性曲线。
能量收集模块，用于收集来自信号光能量和环境光能量。具体来说，如图6所示能量收集模块结构示意图，包含基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路和基于MAX669芯片的DC/DC升压电路。针对BQ25504芯片功耗低、可低能采集的特性，主要通过配置外部电阻R_OC1和R_OC2的阻值对最大功率点进行编程，并通过外部电容保持输出功率。针对MAX669芯片转换功率高的特点，合理配置外部元件参数，将最大功率点追踪电路的输出电信号稳定采集并升压至所需值，使得输出电压稳定输出在5V。本实施方式中，所述外部电阻R_OC1=15.6MΩ，R_OC2=4.4MΩ，该取值与所需输出电压值有关，可以为升压电路提供稳定输入值，保证升压电路稳定输出在5V，如图7所示基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路原理图。
能量管理模块，用于动态管理电池的输入与输出，保护***供电安全。具体来说，如图8所示能量管理模块结构示意图，包含芯片ZS6366、复位电路、LED显示和储能电池。所述ZS6366芯片通过合理配置***电路可以实现充电管理、电路保护和电量显示。所述复位电路用于电流或电压过载时，自动复位保护电路。所述LED显示包含4个LED组成的灯列，用于显示储能电池所剩电量。所述储能电池用于能量存储和对外供能。
另外，对本发明进行测试，测试分为***频率响应测试和输出电压测试。（1）***频率响应测试，将发射端电路信号输入与信号发生器相连，接收端电路信号输出与示波器相连，连接好检查无误后通电；接着，将信号发生器的输出信号调节为峰值为1V、频率为100KHz的正弦信号；然后，不断增加发射信号频率，每次增加200KHz，观察并记录示波器信号的峰值。如图9所示，加入均衡电路后，***带宽明显提升。（2）输出电压测试，固定好LED灯和能量收集电路位置，将升压电路输出端与万用表相连；接着，对设备通电使LED保持常亮，记录太阳能电池所在位置的照度和输出电压值；然后，以10厘米为步长增加太阳能电池板与LED灯距离，记录照度值和输出电压值。如图10所示，随着周围环境光照度不断变化，能量接收端输出电压值始终稳定在4.5V。所述测试用到的设备型号如下：信源采用型号为Tektronix（泰克）AFG3102信号发生器，示波器型号为Agilent Technologies（安捷伦）TDS1002B。
Claims (10)
1.一种可见光通信与能量收集***，其特征在于，包含：
***发射装置，所述***发射装置用于发射调制信号，包含依次连接的FPGA调制模块、数模转换模块、预均衡模块、LED驱动模块、LED光源阵列；
***接收装置，所述***接收装置用于同时接收光信号和光能量，包含并行关系的信息接收模块和能量接收模块；
所述信息接收模块，用于接收发射模块发送的加载在可见光上的调制信号，包含依次连接的PIN光电探测器阵列、光电转换模块、后均衡模块、模数转换模块、FPGA解调模块；
所述能量接收模块，用于接收发射模块发送的信号光与环境光能量，并将收集的能量存储、分配，实现***能量自给，包含依次连接的硅光电池组件、能量收集模块、能量管理模块、储能电池。
2.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述FPGA调制模块，用于将信源发出的信号进行调制，并将调制信号发送至D/A数模转换模块；所述D/A数模转换模块，用于将FPGA调制模块输出的数字信号转换为模拟信号并输出至均衡电路；所述预均衡模块，用于将输入的模拟信号进行均衡处理并传输至LED驱动模块；所述LED驱动模块，用于将均衡电路输出电信号进行功率放大的同时驱动LED光源阵列长亮，输出加载调制信息的光信号。
3.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述PIN光电探测器阵列，用于接收可见光通信发射模块发出的光信号；所述光电转换模块，用于将接收的光信号转换为电信号，同时将电信号放大输出至后均衡模块；所述后均衡模块，用于将接收的模拟电信号进行均衡处理并传输至模数转换模块；所述模数转换模块，用于将均衡后的模拟信号转换为数字信号并传输至FPGA解调模块；所述FPGA解调模块，用于将接收到的调制信号进行解调。
4.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述硅光电池组件，用于接收发射光信号和环境光信号，并将收集光信号转换为电信号；所述能量收集模块，用于硅光电池组件的最大功率点追踪与升压转换，并将升压后的电信号传输至能量管理模块；所述能量管理模块，用于管理收集的所有能量，实现储能电池电量动态显示与***供能；所述储能电池，用于存储***的能量。
5.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于，所述预均衡电路包含第一电阻、第一电容、第二电阻、第三电阻、第三电容和运算放大器，第一电阻的一端与第一电容的一端连接并接地，第一电阻的另一端、第一电容的另一端、第二电阻的一端分别与运算放大器的负极输入端连接；运算放大器的正极输入端连接信号输入Vin端，运算放大器的输出端分别连接第二电阻的另一端、第三电阻的一端，第三电阻的另一端分别连接第三电容的一端和信号输出Vout端，第三电容的另一端接地。
6.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述后均衡电路电路包含第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容和运算放大器，光电转换信号Vi从负极输入，第八电阻与第六电容并联后接入运算放大器的负极输入端，第九电阻与第七电容并联，一端与运算放大器负极输入端相连，另一端与运算放大器输出端相连；第十电阻和第十电容并联，一端与运算放大器输出端相连，另一端为信号输出端Vo；运算放大器的正极输入端与地相连；第十一电阻一端与地相连，另一端与信号输出端Vo相连。
7.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述能量收集模块包含基于BQ25504芯片的最大功率点追踪电路和基于MAX669芯片的DC/DC升压电路；所述基于BQ25504最大功率点追踪电路用于收集信号光和环境光的微弱能量，同时使硅光电池输出电压保持稳定；所述基于MAX669的DC/DC升压电路用于放大基于BQ25504最大功率点追踪电路的输出电信号，使输出电压达到***供电要求。
8.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述能量管理模块包含基于ZS6366芯片的充电管理电路、时钟电路等；所述基于ZS6366的充电管理电路用于动态监控储能电池电量，使***获得更高更稳定的输出电流，同时保护电池充放电安全。
9.根据权利要求1所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述FPGA调制与所述FPGA解调模块分别包含FPGA芯片以及分别与其连接的电源管理模块、时钟电路、复位电路和USB转串口；所述电源管理模块用于提供FPGA调制模块所需电能；所述复位电路用于清除FPGA调制与解调过程中出现的问题并恢复FPGA芯片的初始状态；所述时钟电路包含60M晶振，用于提供满足发射信号的频率；所述USB转串口用于实现电脑与FPGA调制模块的通信转换。
10.根据权利要求5或6所述的一种可见光通信与能量收集***，其特征在于：所述运算放大器的芯片型号为OPA690。
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