CN207995094U - 基于白光led的可见光通信发射装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置包括数模转换模块、低通滤波器、放大器电路、LED驱动电路和LED灯阵列，所述数模转换模块与所述单片机连接，数模转换模块用于可见光通信发射装置进行数字信号和模拟信号转换；所述低通滤波器与所述数模转换模块连接，低通滤波器用于对模拟信号进行低通滤波；所述放大器电路与所述低通滤波器和LED驱动电路连接，放大器电路用于对信号进行放大处理；所述LED驱动电路与所述放大器电路和LED灯阵列连接，LED驱动电路用于对LED灯阵列进行驱动。本实用新型使用低压电源、功耗小、适用性强、稳定性高、响应时间短、绿色环保、多档闪烁频率发光。

Description

基于白光LED的可见光通信发射装置

技术领域

本实用新型涉及可见光通信技术领域，具体涉及一种基于白光LED的可见光通信发射装置。

背景技术

20世纪60年代，LED发光二极管出现，随后LED技术不断推进，2000年以后，照明用的白光LED迅速发展起来，开始了逐渐替代传统照明灯的进程。根据Digitimes数据，2016年全球LED照明市场渗透率为31％，较2015年增加4个百分点，预计2017年将超过40％(LEDinside预测2017年渗透率将超过50％)。与传统照明光源相比，LED光源在节能、使用寿命以及色彩组合方面具有明显优势。随着LED芯片技术的突破带来的成本及价格的持续下降，LED灯的性价比越来越高，LED灯对传统照明灯的替代之势不可逆转。它用作照明的同时.还可以把信号调制到LED可见光束上进行传输，实现一种新兴的光无线通信技术，即可见光通信(Visible Light Communication，VLC)技术。

良好的调制性能和适中的发射功率是采用白光LED作为可见光通信***光源的必备条件。利用白光LED的快速反应度特性和人眼的视觉暂留效应，可见光通信技术可以通过LED超高速的亮灭，在人眼感受不到明暗变化的情况下将信息调制到白光LED上，进而通过改变发光功率进行传输，光电探测器等光电转换器件接收LED光信号，并将光信号转换为电信号。人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”。人眼的视觉暂留时间一般定为0.1s～0.4s，即当物体移去时，视神经对物体的印象不会立即消失，而要延续0.1-0.4秒的时间。而LED的最高闪烁频率可达几百kHz，因此人眼是无法察觉到LED超高速的亮灭的，这是白光LED在传输信息的同时还可以实现照明的原因。应用可见光通信技术可以解决目前电磁波通信频带资源短缺的问题，同时也可以解决在一些对电磁波敏感的环境，如医院、机场等地区的无线通信难题。

目前的白光LED可见光通信技术研究中，一般采用发出蓝光LED芯片与发出黄光的荧光粉混合而成。这样做只需要对单一的LED芯片进行信号调制，使用方便，而且用蓝色滤光片可以滤除白光中响应速度较慢的黄光部分，只留下蓝光，提高了调制宽度。LED与通信有关的特性主要分为发光功率、半功率角、工作光强。发光功率决定了LED在电路中的特性。半功率角是LED发出的光功率是正对LED时功率的一半时所在的角度。这个特性决定了LED光的发散程度，对于光通信***这个参数越小越好。然而对于目前的白光LED，半功率角一般在90°～130°，不能满足要求，为了达到要求必须通过透镜***减小发散角。工作光强决定了LED在正常工作情况下发出的光强，由于通常要求的传输距离较长，光线到达接收端有较大衰减，因此要求在功率一定的情况下，光强越大越好。最常见的荧光转换白光LED是由蓝光LED加YAG荧光粉实现，原理是它利用蓝光LED芯片发出的一部分蓝光激发YAG荧光粉，使蓝光转换为黄光，然后再与其余的蓝光发生混合得到白光。这种白光LED具有内部结构简单、成本不高、调制电路简单，制作工艺成熟且易于实现等优点；缺点是蓝光LED的发光效率不高、能量损耗大，可调制带宽低等，目前的可见光通信***的光源常使用蓝光LED激发荧光粉的白光LED，通信效果差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于白光LED的可见光通信发射装置，利用白光LED的快速反应度特性和人眼的视觉暂留效应，通过LED超高速的亮灭，在人眼感受不到明暗变化的情况下将信息调制到白光LED上，进而通过改变发光功率进行传输，实现照明和通信的双重功能。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置包括单片机，所述装置还包括数模转换模块、低通滤波器、放大器电路、LED驱动电路和LED灯阵列，所述数模转换模块与所述单片机连接，数模转换模块用于可见光通信发射装置进行数字信号和模拟信号转换；所述低通滤波器与所述数模转换模块连接，低通滤波器用于对模拟信号进行低通滤波；所述放大器电路与所述低通滤波器和LED驱动电路连接，放大器电路用于对信号进行放大处理；所述LED驱动电路与所述放大器电路和LED灯阵列连接，LED驱动电路用于对LED灯阵列进行驱动。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述单片机采用C8051F310单片机，所述LED灯阵列采用1W正白色大功率LED灯80-90LM。C8051F310单片机特点为抗干扰性强，高速且低功耗，是一种增强型8051单片机。C8051F310单片机作为主控芯片，同时具有复位电路和时钟电路，需要传输的数据信息通过串口通信传送给主控芯片，然后在C8051F310单片机的控制下驱动LED驱动电路。因为工作光强决定了LED在正常工作情况下发出的光强，由于实践中通常要求的传输距离较长，光线到达接收端有较大衰减，因此要求在功率一定的情况下，光强越大越好。所以选择Telesky公司生产的1W正白色大功率LED灯80-90LM作为LED灯阵列的LED光源。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括复位电路模块，所述复位电路模块与所述单片机连接，复位电路模块用于使单片机电路恢复到起始状态。复位电路模块的原理是电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到VCC，没到VCC时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近VCC时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。复位电路模块属于现有技术。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括时钟电路模块，所述时钟电路模块与所述单片机连接，时钟电路模块用于为单片机提供周期脉冲。单片机运行需要时钟支持—就像计算机的CPU一样，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，那单片机就不能执行程序。单片机内部是由许多诸如触发器等构成的时序电路组成的，只有通过时钟才能使单片机一步步地工作。具体工作时，单片机外部接上振荡器(也可以是内部振荡器)提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。如果没有时钟信号，触发器的状态就不能改变，单片机内部的所有电路在完成一个任务后将最终达到一个稳定状态，而不能再继续进行其它任何工作。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括稳压电源供电模块，所述稳压电源供电模块与所述单片机连接，稳压电源供电模块用于为单片机提供稳压电源供电。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括模数转换模块，所述模数转换模块与所述单片机连接，模数转换模块用于可见光通信发射装置进行模拟信号和数字信号转换。模数转换模块将模拟信号转换成数字信号的电路，又称为模数转换模块(简称A/D转换器)，A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。模数转换模块属于现有技术。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括衰减电路，所述衰减电路与所述模数转换模块连接，衰减电路用于对输送到模数转换模块的模拟信号进行衰减。衰减电路是在指定的频率范围内，引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。衰减电路属于现有技术。

如上所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置还包括信号输入接口，所述信号输入接口连接到所述衰减电路，所述信号输入接口用于可见光通信发射装置进行模拟信号输入。

本实用新型具有使用低压电源、功耗小、适用性强、稳定性高、响应时间短、绿色环保、多档闪烁频率发光等优点，利用白光LED的快速反应度特性和人眼的视觉暂留效应，可以通过LED超高速的亮灭，在人眼感受不到明暗变化的情况下将信息调制到白光LED上，进而通过改变发光功率进行传输，实现照明和通信的双重功能，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为基于白光LED的可见光通信发射装置结构示意图；

图2为基于白光LED的可见光通信发射装置单片机示意图；

图3为基于白光LED的可见光通信发射装置LED驱动电路示意图；

图4为基于白光LED的可见光通信发射装置衰减电路示意图；

图5为基于白光LED的可见光通信发射装置低通滤波器电路示意图；

图6为基于白光LED的可见光通信发射装置的放大器电路中跨阻放大器电路示意图；

图7为基于白光LED的可见光通信发射装置的放大器电路中甲乙类互补对称功率放大电路示意图；

图8为基于白光LED的可见光通信发射装置复位电路示意图；

图9为基于白光LED的可见光通信发射装置时钟电路示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1至9所示，基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置包括单片机1，所述装置还包括数模转换模块2、低通滤波器3、放大器电路4、LED驱动电路5和LED灯阵列6，所述数模转换模块2与所述单片机1连接，数模转换模块2用于可见光通信发射装置进行数字信号和模拟信号转换；所述低通滤波器3与所述数模转换模块2连接，低通滤波器3用于对模拟信号进行低通滤波；所述放大器电路4与所述低通滤波器3和LED驱动电路5连接，放大器电路4用于对信号进行放大处理；所述LED驱动电路5与所述放大器电路4和LED灯阵列6连接，LED驱动电路5用于对LED灯阵列6进行驱动。

参见图5，基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，低通滤波器是由2个二阶低通滤波器电路级联构成四阶巴特沃斯滤波电路。为了降低运算放大器对滤波电路的负载效应，应该选用输入阻抗较大的运算放大器，考虑到CF412C的输入阻抗可达10¹²欧姆，而且单位增益带宽为8MHz，因此低通滤波器模块的运放A₁和A₂选用CF412C型号。

参见图6和图7，基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，放大器电路中包括跨阻放大器电路和甲乙类互补对称功率放大电路，跨阻放大器的主要功能是将经过低通滤波后的数模转换模块双端电压输出量进行放大并转化为单端电压。选用AD8015作为此模块的跨导放大器。AD8015是一款宽带宽、单电源跨阻放大器，针对光纤接收器电路应用进行了优化。它是一款完整的单芯片解决方案，用于将光电二极管电流转换为差分电压输出。240MHz带宽使该器件能够应用于数据速率最高达155Mbps的FDDI接收器和SONET/SDH接收器。此高带宽特性支持300Mbps以上的数据速率。差分输出可以直接驱动ECL，或者驱动一个比较器/光纤后置放大器。

同相输入端为V₊，反相输入端为V_-，则输出电压V_out可以表示为：

数模转换模块选用的是Telesky公司生产的DAC0832LCN型号DIP-20IC芯片8位数模转换模块。考虑到在数模转换模块中，输出电流I_out+,I_out-范围为20mA～200mA，设总输出电流为I₀＝I_out++I_out-，则单个输出电流取决于数模转换模块的8位二进制编码值，将这个8位二进制编码值记为CODE，以R_L表示等效负载电阻，则有：

由于CODE的取值范围为0～255，所以V_out+-V_out-的取值范围为[-1V,+1V]。基于这样的考虑，对跨导放大器的两输入电压之差，设计放大倍率为1即可满足要求。

基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述单片机1采用C8051F310单片机，所述LED灯阵列6采用1W正白色大功率LED灯80-90LM。C8051F310单片机特点为抗干扰性强，高速且低功耗，是一种增强型8051单片机。C8051F310单片机作为主控芯片，同时具有复位电路和时钟电路，需要传输的数据信息通过串口通信传送给主控芯片，然后在C8051F310单片机的控制下驱动LED驱动电路5。因为工作光强决定了LED在正常工作情况下发出的光强，由于实践中通常要求的传输距离较长，光线到达接收端有较大衰减，因此要求在功率一定的情况下，光强越大越好。所以选择Telesky公司生产的1W正白色大功率LED灯80-90LM作为LED灯阵列6的LED光源。

在甲乙类互补对称功率放大电路中，电容起到滤波的作用，电阻R₁,R₂为晶体管T1提供偏置电压，上下两个电流源为晶体管T2和T3提供偏置电压，选用BCP54型号的晶体管，只要给两个晶体管加上很小的直流偏置，使两个晶体管处于微导通状态，可以很好地克服交越失真的问题。那么，交流电压信号输入V_i可以稳定地产生在负载上，既有利于提高电路的转换效率，又能够使输入的电压信号转换为电流信号。

参见图8，基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括复位电路模块7，所述复位电路模块7与所述单片机1连接，复位电路模块7用于使单片机1电路恢复到起始状态。复位电路模块7的原理是电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到VCC，没到VCC时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近VCC时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。复位电路模块7属于现有技术。

参见图9，基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括时钟电路模块8，所述时钟电路模块8与所述单片机1连接，时钟电路模块8用于为单片机1提供周期脉冲。单片机1运行需要时钟支持—就像计算机的CPU一样，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机1，那单片机1就不能执行程序。单片机1内部是由许多诸如触发器等构成的时序电路组成的，只有通过时钟才能使单片机1一步步地工作。具体工作时，单片机1外部接上振荡器(也可以是内部振荡器)提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机1内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制信号。如果没有时钟信号，触发器的状态就不能改变，单片机1内部的所有电路在完成一个任务后将最终达到一个稳定状态，而不能再继续进行其它任何工作。

基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括稳压电源供电模块9，所述稳压电源供电模块9与所述单片机1连接，稳压电源供电模块9用于为单片机1提供稳压电源供电。

基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括模数转换模块10，模数转换模块选用的是Telesky公司生产的ADC0809CCN型号DIP28IC芯片8位模数转换模块。所述模数转换模块10与所述单片机1连接，模数转换模块10用于可见光通信发射装置进行模拟信号和数字信号转换。模数转换模块10将模拟信号转换成数字信号的电路，又称为模数转换模块(简称A/D转换器)，A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。模数转换模块10属于现有技术。

基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括衰减电路11，所述衰减电路11与所述模数转换模块10连接，衰减电路11用于对输送到模数转换模块10的模拟信号进行衰减。衰减电路11是在指定的频率范围内，引入一预定衰减的电路，一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。参见图4以及表一，一套规格化的R3的阻值可以用作产生不同等级的衰减以满足不同的衰减设计要求，如果表一中有符合需求的衰减值，可以通过以下方法得到R1、R2和Rf的取值：首先在1kΩ到10kΩ之间选择一个值，并将该值作为基础值。然后将此基础值作为反馈电阻Rf的取值，将基础值乘以2得到R1和R2的取值，再给表中对应的R3选择一个合适的比例因子，即可完成衰减电路的参数设计工作。对于表中没有的阻值，可以用公式按需要的衰减程度计算出R3的取值。此外，前级电容Cin取4.7μF,用于减小输出脉动和低频干扰。

表一：衰减电路的衰减程度与R3阻值对应表

dB数	Vout/Vi	R3/kΩ
			0	1.0000	∞
0.5	0.9441	8.4383
			1	0.8913	4.0977
2	0.7943	0.9311
			3.01	0.7071	1.2071
3.52	0.6667	1.0000
			4	0.6310	0.8549
5	0.5623	0.6424
			6	0.5021	0.5024
6.02	0.5000	0.5000
			7	0.4467	0.4036
8	0.3981	0.3307
			9	0.3548	0.2750
9.54	0.3333	0.2500
			10	0.3162	0.2312
12	0.2512	0.1677
			12.04	0.2500	0.1667
13.98	0.2000	0.1250
			15	0.1778	0.1081
16.90	0.1429	0.08333
			18	0.1259	0.07201
18.06	0.1250	0.07143
			19.08	0.1111	0.06250
20	0.1000	0.05556
			25	0.0562	0.02979

基于白光LED的可见光通信发射装置的一个实施例中，所述装置还包括信号输入接口12，所述信号输入接口12连接到所述衰减电路11，所述信号输入接口12用于可见光通信发射装置进行模拟信号输入。

在NI Multisim 14.1软件中，采用幅度为5V，频率为2MHz的正方波发生器代替单片机1产生输入信号可以得到LED两端的电压波形仿真如图所示。可见波形失真较小，且高电平为3.3V，LED正常工作，低电平为2.2V，处于白光LED门限电压以下，实现了通过输入信号来控制LED亮暗的目的。因为LED具有单向导通特性，因此给LED供电的电流需用直流或单向脉冲电流。经过仿真发现，本实施例选用的白光LED的门限电压在1.5V以上，LED处于工作区时，其正常工作时的管压降在3～4V。需要保证当输入信号为1时，LED正常工作，输入信号为0时LED不发光。

选用的Telesky公司生产的1W正白色大功率LED正常工作在1W时，其输出光通量约为80lm，LED的发光角度为180°，据此可计算出在5m的距离上光照度为：

计算所得的光照度较小，接收端探测器很难从背景光噪声中清晰地接收到发射端的光信号，可以加上透镜***改善LED的发光角度，保证接收端光斑直径为0.5m，此时接收端光照度为407.4lx。同时还可以增加LED数量来提高接收端得到的光照度，本实施例中的LED驱动电路5设置了3×2LED阵列，共计6个LED，此时接收端得到的信号光照度约为2400lx，室内环境光照度约为100lx。***的信噪比约为：

接收端可以从背景光的噪声中清晰地接收到发射端的光信号，符合设计要求。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (8)

1.基于白光LED的可见光通信发射装置，所述装置包括单片机，其特征在于：所述装置还包括数模转换模块、低通滤波器、放大器电路、LED驱动电路和LED灯阵列，所述数模转换模块与所述单片机连接，数模转换模块用于可见光通信发射装置进行数字信号和模拟信号转换；所述低通滤波器与所述数模转换模块连接，低通滤波器用于对模拟信号进行低通滤波；所述放大器电路与所述低通滤波器和LED驱动电路连接，放大器电路用于对信号进行放大处理；所述LED驱动电路与所述放大器电路和LED灯阵列连接，LED驱动电路用于对LED灯阵列进行驱动。

2.根据权利要求1所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述单片机采用C8051F310单片机，所述LED灯阵列采用1W正白色大功率LED灯80-90LM。

3.根据权利要求1所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括复位电路模块，所述复位电路模块与所述单片机连接，复位电路模块用于使单片机电路恢复到起始状态。

4.根据权利要求1所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括时钟电路模块，所述时钟电路模块与所述单片机连接，时钟电路模块用于为单片机提供周期脉冲。

5.根据权利要求1所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括稳压电源供电模块，所述稳压电源供电模块与所述单片机连接，稳压电源供电模块用于为单片机提供稳压电源供电。

6.根据权利要求1所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括模数转换模块，所述模数转换模块与所述单片机连接，模数转换模块用于可见光通信发射装置进行模拟信号和数字信号转换。

7.根据权利要求6所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括衰减电路，所述衰减电路与所述模数转换模块连接，衰减电路用于对输送到模数转换模块的模拟信号进行衰减。

8.根据权利要求7所述的基于白光LED的可见光通信发射装置，其特征在于：所述装置还包括信号输入接口，所述信号输入接口连接到所述衰减电路，所述信号输入接口用于可见光通信发射装置进行模拟信号输入。