基于STM32的激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

激光通信在衛(wèi)星通信，水下通信，無(wú)人機(jī)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(wú)線電通信相比，具有保密性強(qiáng)，通信容量大，重量輕，功耗和體積小，成本低等特點(diǎn)^[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(xiàn)[2] 設(shè)計(jì)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(shí)用型較差。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種近場(chǎng)無(wú)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(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于脈沖撥號(hào)的抗抖動(dòng)激光通信系統(tǒng)，但其發(fā)送時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通信速率較低。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(jìn)行信號(hào)調(diào)制。系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)經(jīng)由串口進(jìn)行控制，實(shí)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(jì)

激光通信系統(tǒng)共分為軟件層和硬件層，軟件層由C語(yǔ)言編寫(xiě)，微控制器為軟件層的運(yùn)行載體，硬件層總體設(shè)計(jì)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(zhǔn)直系統(tǒng)和高精度LD 驅(qū)動(dòng)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(guò)D/A 通道和A/D 通道與單片機(jī)相連接。激光通信系統(tǒng)和上位機(jī)通過(guò)串口相連接，通過(guò)串口AT 指令對(duì)激光通信系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

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

2 激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jì)

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(shí)具有FPU 單元，有效提升浮點(diǎn)運(yùn)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(jìn)行調(diào)試。主控與上位機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于PC 機(jī)無(wú)TTL 串口，通過(guò)CH340 芯片進(jìn)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(jì)

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

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L(zhǎng)D 驅(qū)動(dòng)高精度電流源提供電壓基準(zhǔn)。系統(tǒng)的電源樹(shù)有三個(gè)分支：系統(tǒng)總電源通過(guò)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(zhǔn)。

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(zhǔn)芯片，輸出電壓為1.235 V，具有1% 的電壓精度，低達(dá)60 μV（RMS）的噪聲。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)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(jì)

激光發(fā)射電路由LD 驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度和電流近似為正比關(guān)系，所以對(duì)電流進(jìn)行調(diào)制即可實(shí)現(xiàn)激光二極管發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制。其原理圖如圖4 所示。

圖4 LD驅(qū)動(dòng)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(yùn)算放大器U1.1。調(diào)整管Q₁工作在恒流區(qū)，可等效為1 個(gè)壓控電流源，用于調(diào)整激光二極管上通過(guò)的電流。電阻R₂對(duì)流過(guò)激光二極管的電流進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。運(yùn)算放大器U1.1 用于建立負(fù)反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)電流的負(fù)反饋。根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短虛斷關(guān)系，最終流過(guò)LD 的電流可通過(guò)下式計(jì)算：I_LD=V_IN+/R₂。電壓基準(zhǔn)芯片 U4 提供 1.235 V 的參考電壓，R6和R4對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，接入運(yùn)算放大器的同相輸入端，通過(guò)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(diǎn)。

運(yùn)算放大器U1.2 連接成電壓跟隨器，單片機(jī)ADC信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器后，經(jīng)過(guò)耦合電容疊加在節(jié)點(diǎn)電壓V_IN+上，實(shí)現(xiàn)流過(guò)激光二極管電流I_LD 的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)激光二極管發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)制。

2.4 激光接收電路設(shè)計(jì)

激光接收電路由I/V 轉(zhuǎn)換電路，前置可變?cè)鲆娣糯箅娐?，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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，方便后續(xù)進(jìn)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(huì)受到影響，在使用時(shí)需加偏壓，減小結(jié)電容的影響。本電路中的偏壓通過(guò)穩(wěn)壓管D1 實(shí)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(duì)電壓進(jìn)行二次放大，該級(jí)的增益可通過(guò)電位器R8 進(jìn)行調(diào)節(jié)。放大后的信號(hào)通過(guò)抗混疊濾波器送入單片機(jī)ADC 引腳進(jìn)行采集。

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

3 激光通信系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

初始化程序?qū)纹瑱C(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘樹(shù)及各個(gè)外設(shè)進(jìn)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(shí)器的初始化等。

3.1 上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)通信程序用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信。上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制主要通過(guò)串口AT 指令實(shí)現(xiàn)，串口的通信協(xié)議設(shè)計(jì)如表1。

表1 串口AT指令協(xié)議設(shè)計(jì)

開(kāi)啟傳輸后，激光通信系統(tǒng)進(jìn)入串口透?jìng)髂Ｊ?，通過(guò)串口直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

串口AT 指令的執(zhí)行通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，程序運(yùn)行分為有限個(gè)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(kāi)啟傳輸后，將串口接收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，同時(shí)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(jìn)行處理和發(fā)送。同時(shí)，以程序查詢的方式檢測(cè)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(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。

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

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(guò)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(jìn)行處理，產(chǎn)生調(diào)制波。發(fā)送程序在產(chǎn)生完1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的調(diào)制波后通過(guò)DAC 輸出，疊加到激光發(fā)射電路上的調(diào)制端，對(duì)發(fā)射的激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制。

多音雙頻調(diào)制信號(hào)由高群和低群組成，高低群各包含4 個(gè)頻率。1 個(gè)高頻信號(hào)和1 個(gè)低頻信號(hào)疊加組成1個(gè)組合信號(hào)，共16 種組合，表示四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。在高群和低群中各加入1 個(gè)單頻信號(hào)作為起始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)。傳輸時(shí)將1 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)分為高半字和低半字，先后進(jìn)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(hào)開(kāi)始傳輸后，會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)起始單頻信號(hào)，然后先后產(chǎn)生兩個(gè)包含半字節(jié)數(shù)據(jù)的多頻信號(hào)，最后產(chǎn)生1 個(gè)終止單頻信號(hào)，該字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸完成。傳輸?shù)臅r(shí)序由定時(shí)器控制，定時(shí)器每產(chǎn)生1 次中斷為1 個(gè)單位時(shí)間，起始信號(hào)，半字節(jié)數(shù)據(jù)信號(hào)，終止信號(hào)各占1 個(gè)單位時(shí)間，傳輸1 字節(jié)數(shù)據(jù)共用4 個(gè)單位時(shí)間。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)解調(diào)程序設(shè)計(jì)

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

A/D 轉(zhuǎn)換程序由定時(shí)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將ADC 設(shè)置為定時(shí)器觸發(fā)，將定時(shí)器周期設(shè)置為0.5 μs，實(shí)現(xiàn)ADC固定采樣頻率采樣，待轉(zhuǎn)換完成后，會(huì)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(kù)進(jìn)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(cè)到起始信號(hào)后，按照時(shí)序?qū)⒕彌_區(qū)的時(shí)間序列分塊進(jìn)行FFT 運(yùn)算。對(duì)得到的頻譜序列進(jìn)行檢測(cè)，得到雙頻信號(hào)的頻率，按照?qǐng)D6 轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，檢測(cè)到結(jié)束信號(hào)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(jī)通信程序啟動(dòng)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解調(diào)和上傳。

4 激光通信系統(tǒng)測(cè)試

為測(cè)試激光通信系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行通信測(cè)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(duì)激光通信系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)回通信測(cè)試。搭建的激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7 所示。

圖7 激光通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容為7 個(gè)字符，共56 個(gè)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(cè)試，該系統(tǒng)通信距離可達(dá)50 m，通信波特率可達(dá)1 800 bit/s 以上，具有較強(qiáng)的通信穩(wěn)定性。

圖8 環(huán)回通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

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(wèn)題，設(shè)計(jì)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(guò)上位機(jī)串口控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較長(zhǎng)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(xiàn)：

[1] 劉潤(rùn)芃,佟首峰,張鵬,等.水下可見(jiàn)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(jì)[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(chǎng)無(wú)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(hào)的抗抖動(dòng)激光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2022,40(1):125-131.

[5] 王勉,郭永剛,趙高院.基于STM32實(shí)現(xiàn)雙音多頻信號(hào)(DTMF)的檢測(cè)與識(shí)別[J].電子測(cè)試,2012,257(9):80-85.

[6] 范迪,王侃侃,高潔,等.數(shù)字信號(hào)處理中DTMF信號(hào)檢測(cè)案例設(shè)計(jì)及教學(xué)應(yīng)用[J].中國(guó)多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)(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(jì)[J].激光雜志,2020,41(3):177-181.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）