基于STM32的激光通信系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

激光通信在衛(wèi)星通信，水下通信，無人機通信等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。激光通信作為一種光通信方式，與無線電通信相比，具有保密性強，通信容量大，重量輕，功耗和體積小，成本低等特點^[1]。激光通信由于其系統(tǒng)較為復(fù)雜的原因，在民用領(lǐng)域還不夠普及。

紅外通信是一種光通信方式，廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但其傳輸距離通常較短，文獻[2] 設(shè)計了一種數(shù)字模擬混合紅外通信系統(tǒng)，其通信距離僅有1.2M，實用型較差。文獻[3]設(shè)計了一種近場無線激光通信系統(tǒng)，但其系統(tǒng)組成復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，不適合民用領(lǐng)域量產(chǎn)。文獻[4]設(shè)計了基于脈沖撥號的抗抖動激光通信系統(tǒng)，但其發(fā)送時間過長，通信速率較低。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一種基于STM32 的激光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和F407 主控模塊組成，采用雙音多頻調(diào)制方式進行信號調(diào)制。系統(tǒng)可以通過上位機經(jīng)由串口進行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，為低成本民用激光通信提供了解決方案。

1 激光通信系統(tǒng)總體設(shè)計

激光通信系統(tǒng)共分為軟件層和硬件層，軟件層由C語言編寫，微控制器為軟件層的運行載體，硬件層總體設(shè)計如圖1 所示。

圖1 激光通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件層由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和主控模塊組成。激光發(fā)射模塊包括激光二極管（LD）、激光準直系統(tǒng)和高精度LD 驅(qū)動電流源，激光接收模塊包括光電二極管（PD）和激光接收前端電路。激光發(fā)射模塊和激光接收模塊分別通過D/A 通道和A/D 通道與單片機相連接。激光通信系統(tǒng)和上位機通過串口相連接，通過串口AT 指令對激光通信系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

激光通信系統(tǒng)A、B 兩個終端在進行通信時，只需將A 和B 終端的傳光通路聯(lián)通即可，可通過光纖進行聯(lián)通，也可直接在空間中進行傳輸。

2 激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計

激光通信系統(tǒng)的硬件部分包括主控及其外圍電路，電源模塊，激光發(fā)射電路和激光接收前端電路。

2.1 主控及其外圍電路設(shè)計

激光通信系統(tǒng)主控采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407VET6處理器，該微控制器具有豐富的模擬外設(shè)和高性能的Cortex-M4 內(nèi)核，同時具有FPU 單元，有效提升浮點運算速度，為快速傅里葉變換提供了性能支持。主控采用RC 復(fù)位電路，預(yù)留SWD 接口進行調(diào)試。主控與上位機通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸，由于PC 機無TTL 串口，通過CH340 芯片進行USB 和TTL 串口的轉(zhuǎn)換。主控及其外圍電路如圖2所示。

圖2 主控及其外圍電路設(shè)計

2.2 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)需要3.3 V、5 V 雙電源和1.235 V 三種規(guī)格的電源，其中，5 V 雙電源用于模擬部分的供電，包括激光發(fā)射模塊和激光接收模塊。3.3 V 電源用于數(shù)字電路的供電。1.235 V 電源為LD 驅(qū)動高精度電流源提供電壓基準。系統(tǒng)的電源樹有三個分支：系統(tǒng)總電源通過USB 5 V電源輸入，分別接入TPS65133 雙5 V 電源，MT2492斬波降壓3.3 V 電源，LM385 高精度1.235 V電壓基準。

MT2492是西安航天民芯的一款斬波降壓控制器芯片，具有最高96% 的效率。電源模塊原理圖如圖3 所示，輸出電壓滿足公式輸出電壓需設(shè)定為3.3V，故將電阻配置為：R_HS=67.5 kΩ, R_LS=15 kΩ。

圖3 MT2492電源

LM385 為凌特公司的高精度電壓基準芯片，輸出電壓為1.235 V，具有1% 的電壓精度，低達60 μV（RMS）的噪聲。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊中對其工作電流的要求，配置限流電阻R₀=2 kΩ。

2.3 激光發(fā)射電路設(shè)計

激光發(fā)射電路由LD 驅(qū)動高精度電流源和激光二極管組成，該電流源為激光二極管提供了穩(wěn)定的靜態(tài)工作電流。由于激光二極管的發(fā)光強度和電流近似為正比關(guān)系，所以對電流進行調(diào)制即可實現(xiàn)激光二極管發(fā)光強度的調(diào)制。其原理圖如圖4 所示。

圖4 LD驅(qū)動高精度電流源

該電流源的主要器件為調(diào)整管Q₁，電流采樣電阻R₂和運算放大器U1.1。調(diào)整管Q₁工作在恒流區(qū)，可等效為1 個壓控電流源，用于調(diào)整激光二極管上通過的電流。電阻R₂對流過激光二極管的電流進行采樣，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。運算放大器U1.1 用于建立負反饋環(huán)路，實現(xiàn)電流的負反饋。根據(jù)運算放大器的虛短虛斷關(guān)系，最終流過LD 的電流可通過下式計算：I_LD=V_IN+/R₂。電壓基準芯片 U4 提供 1.235 V 的參考電壓，R6和R4對基準電壓進行分壓，接入運算放大器的同相輸入端，通過調(diào)整R4的值即可調(diào)整I_LD ，從而調(diào)整激光二極管的靜態(tài)工作點。

運算放大器U1.2 連接成電壓跟隨器，單片機ADC信號通過電壓跟隨器后，經(jīng)過耦合電容疊加在節(jié)點電壓V_IN+上，實現(xiàn)流過激光二極管電流I_LD 的調(diào)制，從而實現(xiàn)激光二極管發(fā)光強度的調(diào)制。

2.4 激光接收電路設(shè)計

激光接收電路由I/V 轉(zhuǎn)換電路，前置可變增益放大電路，ADC 前端抗混疊濾波器組成，其原理圖如圖5所示。

圖5 激光接收電路

I/V 轉(zhuǎn)換電路將PD 輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，方便后續(xù)進行處理，其跨阻由電阻R6 的阻值決定。由于光電二極管存在結(jié)電容，其高頻特性會受到影響，在使用時需加偏壓，減小結(jié)電容的影響。本電路中的偏壓通過穩(wěn)壓管D1 實現(xiàn)，D1 的穩(wěn)壓值即為光電二極管上所加偏壓。

完成光電二極管的I/V 轉(zhuǎn)換后，將得到的電壓送入前置可調(diào)增益放大器，對電壓進行二次放大，該級的增益可通過電位器R8 進行調(diào)節(jié)。放大后的信號通過抗混疊濾波器送入單片機ADC 引腳進行采集。

為防止信號在ADC 采集過程中發(fā)生頻譜混疊，需對輸入信號進行濾波。二階低通抗混疊濾波器元器件參數(shù)通過TI Filter Design Tool 進行設(shè)計，其截止頻率為1 MHz。

3 激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計

激光通信系統(tǒng)的軟件部分包括初始化程序，上位機通信程序，數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送程序， A/D 轉(zhuǎn)換信號解調(diào)程序。

初始化程序?qū)纹瑱C系統(tǒng)時鐘樹及各個外設(shè)進行初始化，包括串口的初始化，ADC 的初始化，DAC 的初始化，DMA 的初始化，定時器的初始化等。

3.1 上位機通信程序設(shè)計

上位機通信程序用于實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信。上位機對系統(tǒng)的控制主要通過串口AT 指令實現(xiàn)，串口的通信協(xié)議設(shè)計如表1。

表1 串口AT指令協(xié)議設(shè)計

開啟傳輸后，激光通信系統(tǒng)進入串口透傳模式，通過串口直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

串口AT 指令的執(zhí)行通過有限狀態(tài)機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，程序運行分為有限個狀態(tài)，AT 指令作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件觸發(fā)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)程序開啟傳輸后，將串口接收到的上位機數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中將標(biāo)志位置1，在數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送程序中進行處理和發(fā)送。同時，以程序查詢的方式檢測接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是否更新，如果更新，將接收到的數(shù)據(jù)直接通過串口發(fā)送至上位機。

3.2 數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送程序設(shè)計

數(shù)據(jù)調(diào)制發(fā)送程序主要由調(diào)制和發(fā)送兩部分組成。調(diào)制程序通過雙音多頻調(diào)制方法將串口傳輸?shù)骄彌_區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，產(chǎn)生調(diào)制波。發(fā)送程序在產(chǎn)生完1 個字節(jié)數(shù)據(jù)的調(diào)制波后通過DAC 輸出，疊加到激光發(fā)射電路上的調(diào)制端，對發(fā)射的激光強度進行調(diào)制。

多音雙頻調(diào)制信號由高群和低群組成，高低群各包含4 個頻率。1 個高頻信號和1 個低頻信號疊加組成1個組合信號，共16 種組合，表示四位二進制數(shù)據(jù)。在高群和低群中各加入1 個單頻信號作為起始信號和結(jié)束信號。傳輸時將1 個字節(jié)數(shù)據(jù)分為高半字和低半字，先后進行傳輸。各群頻率分配和幀格式如圖6 所示。

圖6 雙音多頻采用的頻率組合及通信幀結(jié)構(gòu)

每字節(jié)信號開始傳輸后，會產(chǎn)生1 個起始單頻信號，然后先后產(chǎn)生兩個包含半字節(jié)數(shù)據(jù)的多頻信號，最后產(chǎn)生1 個終止單頻信號，該字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸完成。傳輸?shù)臅r序由定時器控制，定時器每產(chǎn)生1 次中斷為1 個單位時間，起始信號，半字節(jié)數(shù)據(jù)信號，終止信號各占1 個單位時間，傳輸1 字節(jié)數(shù)據(jù)共用4 個單位時間。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換信號解調(diào)程序設(shè)計

A/D 轉(zhuǎn)換信號解調(diào)程序主要由A/D 轉(zhuǎn)換程序和信號解調(diào)程序組成。A/D 轉(zhuǎn)換程序?qū)⑶岸诵盘柾ㄟ^ADC 進行采集，生成離散序列。信號解調(diào)程序?qū)⒉杉降臅r間序列進行處理，還原出數(shù)據(jù)。

A/D 轉(zhuǎn)換程序由定時器進行驅(qū)動，將ADC 設(shè)置為定時器觸發(fā)，將定時器周期設(shè)置為0.5 μs，實現(xiàn)ADC固定采樣頻率采樣，待轉(zhuǎn)換完成后，會產(chǎn)生事件觸發(fā)DMA 傳輸，讀出采集到的電壓序列到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

解調(diào)程序?qū)⒉杉降碾妷盒蛄蟹謮K后，使用ST 官方DSP 庫進行快速傅里葉變換（FFT），得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊中的頻譜序列，檢測到起始信號后，按照時序?qū)⒕彌_區(qū)的時間序列分塊進行FFT 運算。對得到的頻譜序列進行檢測，得到雙頻信號的頻率，按照圖6 轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，檢測到結(jié)束信號后，將數(shù)據(jù)送入串口發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，上位機通信程序啟動串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)和上傳。

4 激光通信系統(tǒng)測試

為測試激光通信系統(tǒng)的有效性和實用性，在實驗室環(huán)境下搭建激光通信系統(tǒng)實驗裝置并進行通信測試。在距離激光通信系統(tǒng)25 m 處使用平面鏡將激光束反射回系統(tǒng)的接收端，對激光通信系統(tǒng)進行環(huán)回通信測試。搭建的激光通信系統(tǒng)實驗平臺如圖7 所示。

圖7 激光通信系統(tǒng)實驗裝置

在調(diào)整好激光二極管靜態(tài)電流和前置放大器增益后，進行數(shù)據(jù)傳輸測試，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容為7 個字符，共56 個bit，發(fā)送間隔為30 ms，波特率為1 866 bit/s。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果如圖8 所示。

經(jīng)測試，該系統(tǒng)通信距離可達50 m，通信波特率可達1 800 bit/s 以上，具有較強的通信穩(wěn)定性。

圖8 環(huán)回通信實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

為解決現(xiàn)有的民用光通信系統(tǒng)制造成本高，通信距離短，通信速率慢的問題，設(shè)計了基于STM32 的激光通信系統(tǒng)，該激光通信系統(tǒng)采用雙音多頻調(diào)制方式，通過上位機串口控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較長的通信距離，較高的通信速率，為低成本民用激光通信提供了解決方案，在民用激光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻：

[1] 劉潤芃,佟首峰,張鵬,等.水下可見光通信技術(shù)研究[J/OL].光通信研究2023:1-6.

[2] 胡旭光,陶坎,鄧彬偉.模擬數(shù)字混合紅外信道通信裝置的設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2015,22(12):27-29+36.

[3] 王琛,馬擁華,王茗,等.一種近場無線激光通信系統(tǒng)[J].光通信技術(shù),2022,46(4):51-55.

[4] 林晨嵐,陳香宇,宋欣然,等.基于脈沖撥號的抗抖動激光通信系統(tǒng)設(shè)計[J].吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2022,40(1):125-131.

[5] 王勉,郭永剛,趙高院.基于STM32實現(xiàn)雙音多頻信號(DTMF)的檢測與識別[J].電子測試,2012,257(9):80-85.

[6] 范迪,王侃侃,高潔,等.數(shù)字信號處理中DTMF信號檢測案例設(shè)計及教學(xué)應(yīng)用[J].中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(上旬刊),2022(5):61-64.

[7] 王俊,譚榮華.基于嵌入式技術(shù)的超低功耗紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計[J].激光雜志,2020,41(3):177-181.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）