可见光通信（毕业设计）

Posted 2023-01-25 Top嵌入式

一、设计目的

课题的主要目的是设计一对可见光语音通信原型机，通过可见光通信技术传递音频信息并播放，用于验证空间光通信的可行性。任务的主要设计内容为设计一对光信号收发装置，进行双工通信，将音频数据发送到另外一个设备进行播放，同时设置一个控制交互单元，用于控制发送的数据内容和接收的数据内容，整个系统运行一个简单的交互界面，便于用户进一步测试空间光通信的功能。

二、设计框架

根据设计目的进行任务方案设计，设计两个通信设备，设备1和设备2的关系框架如下：

图 2.1通信系统设备关系框架

设备1主控单元通过串口将需要发射数据通过TTL电平信号加载到发射电路，发射电路将TTL电平的电信号转化为驱动电压加载在激光二极管（LD）上，LD根据驱动电压的大侠将电信号转化为光信号，光信号经过空间光路传播后通过平面凸透镜聚集到APD雪崩二极管上，APD根据光信号的强度输出光电流，接收电路采集APD输出的电流信号并作处理，经过IV转换等电路还原出串口TTL电平信号，设备2的串口接收信号并解析数据，完成设备1和设备2的空间光通信，设备1和设备2有两条光路用于传输，以完成全双工通信。该设计方案中有诸多设计要点，具体可分为硬件电路设计以及软件设计：

硬件电路设计：

1. 发射转换电路：将电信号转化为光信号。
2. 接收转换电路：将光信号还原为电信号。
3. 核心处理电路：处理发送以及接收的光信号。

软件设计：

1. 外设驱动编写：调试芯片外设驱动。
2. 任务调度框架：移植RTOS实时系统，完成系统操作逻辑。
3. 图形化交互界面：移植图形界面，为系统提供人机交互。

三、硬件设计

核心处理电路用于为整个光通信系统提供硬件层支持，实现板载资源的基本控制和调度功能，该处理电路使用意法半导体的STM32F407VET6芯片作为核心，设计最小系统电路，同时为片上外设设计外围电路，实现其他必要功能，系统主控电路的整体设计框图如下：

图 3.1主控功能框图

其中音频接口用于解码音频数据然后播放声音，这里使用IIS与音频芯片进行通信，在主控板上设计出IIS接口用于与音频芯片进行通信：

图 3.2音频接口

为了便于进行测试信息传输功能，主控预留了SPI接口用于驱动TFT，进行UI显示：

图 3.3 LCD接口

核心电路板载了LED用于指示一些运行状态，同时集成了SDIO接口驱动SD卡，用于存取部分数据，便于实现软件层一些第三方框架：

图 3.4 SD卡接口

核心电路板设计了按键用于进行人机交互，整个系统设置了2个按键和一个拨盘电位器，2个按键一个用于确认一个用于返回，拨盘电位器用于进行左右选择，具体按键电路原理图设计如下：

图 3.5按键电路

STM32芯片的UART2接口则用于连接光通信电路进行通讯，控制核心电路包含一个单限比较器用于进一步将APD输出的信号进行阈值处理，使输入的信号符合TTL电平标准，能够被UART2识别到，具体的单限比较器电路如下，使用TI公司的TLV3501芯片作为运放比较芯片，TLV3201是单通道比较器，该电平转换快(40ns)且功耗低，支持轨对轨输入，低偏置电压只有1 mV，且具有大输出驱动电流等功能。 该芯片适合应用在响应时间要求较高的场景中，具体的设计电路如下：

图 3.6 TTL转换电路

R1和RP1提供一个比较电压与输入电压进行比较，比较后的输出只有0和3.3V两个范围，符合UART2的TTL电平标准。

核心控制电路最终的整体原理图设计方案如下：

图 3.7项目整体原理图设计

设计完原理图后，对主控进行PCB设计，PCB设计三维图如下：

图 3.8主控PCB三维图

设计完成后将PCB进行加工制作，制作完PCB实物如下：

 

图 3.9主控PCB实物图

发射转换电路将信号加载至光源上，实现电信号到光信号的转换，本项目设计中采用的LD激光二极管作为发射光源，LD激光二极管另外一个名字叫做半导体激光二极管，因为其准直性高，激光强度大，故可以直接作为可见光通信使用的光源，可以很好的传递光信息，一般LD工作电压在4-6V，故需要设计驱动电路将TTL电平转化为LD工作电压范围内的驱动信号来驱动LD二极管发射激光，该驱动电路的设计包括放大电路部分和偏置电路部分，目前的设计如下图：

图 3.10发射电路原理图

设计电路的采用TI公司的OP690作为运算放大器，该放大器的单位增益稳定，运放内部采用电压反馈，使用TI公司设计的内部结构提供转换速率，支持单电源供电，具有150ma的驱动电流以及150Mhz的带宽，适合高速IV转换电路。TTL信号输入后，经过R7和C10构成滤波电路，滤除输入信号的低频噪声，同时将输入的交流高频信号叠加到由R2和R3分压获得的参考直流电压上，防止输入信号失真。运放电路中的R5与R8加RP2的比值确定了电压的放大倍数，对输入的交流信号进行放大。

在输入的TTL信号放大叠加后还需要经过偏置电路调整输出电压范围，使输出电压满足激光二极管的工作范围，驱动LD正常运行，完成将电信号转换到光信号的过程，偏置电路如下：

图 3.11偏置电路原理图

偏置电路的设计原理是一个同相加法电路，通过调节RP1电

位器对加法电路的输入电压进行调整，达到调节最终输出电压的功能，此处使用的运放芯片为OPA690，带宽可达200M，可以满足串行通信波特率为1M时的发射速率。

发射电路最终设计的原理图如下：

图 3.12整体发射电路原理图

    设计完成原理图后使用AD设计PCB，最终PCB模型如下：

图 3.13发射电路PCB设计图

最终制作出来的发射电路PCB实物如下：

 

图 3.14发射电路实物图

接收电路的主要功能是完成光信号到电信号的转换，具体原理通过光电探测器件，将光信号通过APD雪崩二极管转化为电流信号然后进行处理。本次可见光音频通信系统采用APD雪崩二极管作为光电探测器件转化光信号到电信号，当在APD的PN节上加入足够高的正常工作电压时，在PN节耗尽层内运动的载流子，会雪崩式的增加，获得很高的平均电流增益，适合于检测光强大小。一般情况下APD的正常工作电压较高（约100V），普通直流电源电路无法获得这么高的电压，所以该接收电路需要使用特殊的高压产生电路，因此本项目使用boost自举电路获得一个较高的工作电压维持APD的工作。在APD将所检测的光信号转换为电流信号后，系统还需要将其转换为核心主控电路可以识别的电压信号，故需要设计一个高速IV转换电路，将电流信号转化为电压信号。本系统的电压倍增电路采用开关电源boost电路，具体电路设计如下：

图 3.15 TPS升压电路

该电路使用TI公司的TPS55340芯片作为电压IC，该芯片是一款内置了40V、5A开关电源的电源稳压芯片，外围电路配合自举升压二极管、自举升压电容等元件使电容的放电电压和电源的电压叠加，可以对输出电压进行多级放大，使最终的输出电压可以达到70-160V这一范围，以满足APD的正常工作。芯片输出端的L2，L3，C11，C12元件组成滤波电路，设计时放在输出电压后面，可以有效的减小纹波过大导致升压时间常数过大，防止后级电路烧坏自举二极管。

APD正常工作时，会将光强度转化为输出电流，需要引入IV转换电路，本项目中的 IV 转换电路采用TI公司的芯片OPA657，该运放芯片具有低噪声、高增益的特点，IV转换电路原理图如下：

图 3.16 IV转换电路

IV转换电路采用电压并联负反馈的连接方式，将APD 产生的微小电流信号转换为电压信号，还原出电压波形，电路中的C21补偿电容用于移动主极点到低频段以消除自激，其中 R11为该转换电路的核心电阻，整体电路的交流输出电压公式为：

𝑉𝑜𝑢𝑡=−𝐼∙𝑅11

最终输出的电信号经C19进行耦合后传递到下一级处理电路。电路设计的PCB原理图如下：

图 3.17接收电路原理图

使用AD设计出来的PCB三维图如下：

图 3.18接收电路PCB模型图

制作出来的接收电路PCB实物如下：

 

图 3.19 接收电路实物图

整个发射、接受、主控电路需要提供电源，为了方便调试，电源板单独分成一块PCB，通过与其他开发板连接的铜柱进行供电，电源板的电压输出分为12V、5V、3.3V以及GND，同时考虑到音频芯片对电源的要求较高，所以将音频芯片及其外围电路的设计放到电源板上，设计如下：

电源总输入接口通过一个磁吸接头输入一个12V的电压，使用磁吸接头可以便于快速接入电源，同时磁吸头自身带有一定阻抗，可以起到一定的模数隔离作用，磁吸接口设计电路如下：

图 3.20 电源接口原理图

磁吸接口输入的12V电压需要降压到5V，以提供一个5V的电源电压，因为12V到5V的电压压差较大，所以使用DC-DC开关电源降压电路，以获取一个较大的电源转化效率，DC-DC降压电路采用TPS5430芯片，TPS5430是TI公司推出的一款典型的电源管理IC，其具有输出纹波小、散热性高等特点，适合为本课题的整个系统进行供电，TPS5430降压到5V电路原理图如下：

图 3.21 DC-DC降压电路

在通过降压获取到5V的电压后，电源电路还需要通过LDO将5V降压到3.3V，以获得3.3V的电压源为一些功能IC供电，此处的LDO线性降压电路使用AMS1117作为降压芯片，降压电路如下：

图 3.22 LDO降压电路

同时电源板集成了音频播放电路用于连接音响后播放音频，此处音频芯片采用的是欧盛公司的WM8978， WM8978是一款功耗低、播放质量高的立体声音频编解码芯片，专门为一些便携式音频场景的应用而设计，如数码相机、MP3、音响或数码摄像机等。 该芯片集成了差分立体前置麦克风放大器，输出端包括扬声器、耳机以及立体声输出驱动器，可以满足绝大部分音频播放需求；本项目的音频电路设计原理图如下：

图 3.23音频播放电路

音频电路通过对外接口与主控的IIS接口连接，以实现音频播放功能，整体电源电路的设计如图：

图 3.24电源电路整体设计图

PCB三维模型图如下：

图 3.25电源电路PCB模型图

制作出来的PCB实物如下：

 

图 3.26电源电路实物图

四、软件设计

核心电路使用的是意法半导体的STM32F407单片机，该单片机拥有丰富的硬件资源，为此引入RTOS实时操作系统对整体的资源进行调度，本项目选择使用华为公司的开鸿（OpenHarmony）操作系统，引入其LiteOS-M调度内核到本项目中，OpenHarmony LiteOS-M内核是华为公司面向物联网领域推出的小型操作系统内核，具有小体积、低功耗、高性能的特点，该操作系统内核代码简单，主要包括内核基本功能、内核抽象层（KAL）、可选组件，内核可分为硬件有关层与无关层，内核的硬件有关层提供统一的HAL（Hardware Abstraction Layer）接口，降低内核代码移植时的适配难度，同时不同编译工具链和芯片架构的组合分类，方便拓展软件到不同硬件上。

本次课题的开发工具选用VSCode作为系统软件开发IDE，使用开源的ARM-GCC编译器进行编译，程序的下载调试则使用开源工具OpenOCD进行下载调试。使用OpenHarmony作为软件任务调度框架，发挥OpenHarmony互联的特性，为光通信设备提供强力的软件层支持，进一步推动国产系统发展，为国产开源生态提供一份助力，项目整体任务调度框架如下：

图 4.1系统任务框图

整个RTOS系统软件中设置了5个任务，分别为LED提示任务、LCD交互任务、串口测试任务、音频播放任务以及ADC采集任务，各大任务功能如下：

LED提示任务：LED提示任务用于控制LED显示当前系统的运行状态，如果系统未正常运行则LED灯剧烈闪烁。

LCD交互任务：LCD交互任务运行时使用到SD卡、LCD显示屏以及输入按键资源，用于维护LVGL图形框架，实现图形界面的交互逻辑。

串口维护任务：串口测试任务使用到芯片的串口1资源，用于通过板载的USB转TTL电路和上位机进行通讯，方便过程中进行数据打印测试，观察记录系统运行状态；同时串口任务也会通过串口2发送和接收音频信息，通过可见光通信电路传递信息。

音频播放任务：音频播放任务用于播放串口二接收到的音频信息，将信息通过IIS发送到音频播放电路进行音频播放。

ADC采集任务：系统运行过程中需要采集一些电压信息，所以单独设置一个ADC任务用于采集系统电压信息，内部CPU温度，以及更新拨码开关的键值。

软件项目中需要使用到各种单片机外设资源，为了快速进行开发，项目外设资源的配置使用意法半导体公司出品的代码生成器软件 STM32CubeMX，它的图形化工具界面可以让使用者可视化地选择所需的芯片，按照用户的需求设置芯片的任一个引脚和任意一个外设。除此之外STM32CubeMX软件可以识别冲突的引脚，自动配置选择的STM32芯片时钟树，对芯片运行时的功耗进行预测以及判断内存使用情况等功能。项目中使用STM32CubeMX软件可以很大程度的减轻工作量，加快开发速度。

STM32CubeMX生成的代码使用的是 HAL（Hardware Abstraction Layer）库，即硬件抽象层。HAL库的本质是内核层与硬件层中间的关联层，我们可以容易地在HAL中编程来操作内核，硬件抽象层的易于移植性也让在不同内核下的编程不再复杂。本项目中使用STM32CubeMX生成MakeFile工程加入到OpenHarmony源码中使用make工具进行编译，STM32CubeMX配置的工程如下：

图 4.2 STM32CubeMX配置图

为了方便进行人机交互，项目移植了开源的LVGL图形框架制作图形界面，LittleVGL是一个开源的图形开发框架，底层代码由C语言实现，LVGL可以实现与嵌入式硬件的最大的兼容性，同时借助NXP公司推出了LVGL模拟器，可以让LVGL开发者在电脑上进行嵌入式GUI设计。除此之外，LVGL作为一个开放完整的图形库，为开发者提供了多种便捷的小工具使用。这些强大的工具按钮搭配上非常丝滑的动画以及平滑滚动的图形，可以为嵌入式硬件提供一个完美的视觉交互；更重要的是LVGL对硬件有着不高的配置要求并且开源免费，这两点显著的优势使得LVGL一度成为最热门的嵌入式GUI项目，成为广大开发者在选择GUI时的第一选择。

因为其种种优势，故本项目使用LVGL作为UI界面的框架支持，使用NXP开放的GUI-Guider图形化界面配置工具完成界面设计，生成代码后添加到调度内核框架内进行编译调用，实现UI界面的交互，项目使用GUI-Guider软件工具设计界面如下：

图 4.3 UI界面设计图

最终移植到核心电路板效果如下：

图 4.4 UI界面最终设计效果

五、系统测试

电源电路板是整个系统的核心单元，制作完成后首先对其进行测试，确定各个输出电压能否正常工作：

测试12V电压输出并查看纹波：

 

图 5.1 12V电压波形

可以看到12V电源输出正常，但由于直接使用的外部电源接入，纹波较大，但因为每个使用12V电源的IC都加了纹波抑制电路，故影响不大。下面测试电源板5V输出和3.3V输出：

 

图 5.2 3.3V电压波形

 

图 5.3 5V电压波形

5V输出和3.3V电压输出正常，且因为使用TPS芯片进行降压，纹波极小。

电源板供电正常后，对主控电路板进行测试，编写测试程序，分别测试SWD下载1、串口、TFT、LED、按键、ADC、SDIO、IIS、USB以及Flash等功能，编写测试程序，将测试结果打印在串口上，测试结果如下：

图 5.4外设测试串口打印图

主控和电源测试完成后开始测试收发电路，由主控电路从串口连续发送一段TTL电平数据，经过发射电路，加载到激光二极管上，激光二极管将输入的电信号以激光的形式传递出去，另外一端的接收电路将光信号还原成电信号，再经过比较器电路转换为TTL电平，为了直观看到测试效果，使用示波器测试整个链路中各个点的波形。

测试场景如下，将两个测试设备对准：

 

图 5.5对接测试环境

原始输出的串口波形如下：

 

图 5.6设备1输入的TTL波形

经过发射电路后加载在激光二极管上的波形：

 

图 5.7设备1加载在LD上的电压波形

接受电路IV转换后的波形：

 

图 5.8设备2接收到的电压波形

经过比较器复原出的TTL波形：

 

图 5.9设备2经过电压比较后还原的波形

可以看到测试输入的TTL和复原出的TTL电平基本一致，达到测试效果。

在TTL电平传输测试正常后就可以进行音频数据传输的测试，音频数据的传输流程就是一个设备从SD卡中读取WAV音频信息，通过串口将音频信息发送，另外一个设备接收到音频信息后，将音频信息通过IIS发送到音频芯片中进行播放，实现可见光音频通信的功能，因为场地限制，只测试了近距离音频通信和5.3米距离音频通信，音频传输播放正常，测试场景如下：

图 5.10音频传输测试场景