基于STM32的激光通信系統設計

0 引言

激光通信在衛星通信，水下通信，無(wú)人機通信等領(lǐng)域都有廣泛應用。激光通信作為一種光通信方式，與無(wú)線(xiàn)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(diǎn)^[1]。激光通信由于其系統較為復雜的原因，在民用領(lǐng)域還不夠普及。

紅外通信是一種光通信方式，廣泛應用于民用領(lǐng)域，但其傳輸距離通常較短，文獻[2] 設計了一種數字模擬混合紅外通信系統，其通信距離僅有1.2M，實(shí)用型較差。文獻[3]設計了一種近場(chǎng)無(wú)線(xiàn)激光通信系統，但其系統組成復雜，生產(chǎn)成本較高，不適合民用領(lǐng)域量產(chǎn)。文獻[4]設計了基于脈沖撥號的抗抖動(dòng)激光通信系統，但其發(fā)送時(shí)間過(guò)長(cháng)，通信速率較低。

為解決上述問(wèn)題，本文設計了一種基于STM32 的激光通信系統，該系統由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊和F407 主控模塊組成，采用雙音多頻調制方式進(jìn)行信號調制。系統可以通過(guò)上位機經(jīng)由串口進(jìn)行控制，實(shí)現數據的收發(fā)，為低成本民用激光通信提供了解決方案。

1 激光通信系統總體設計

激光通信系統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行載體，硬件層總體設計如圖1 所示。

圖1 激光通信系統硬件結構圖

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）、激光準直系統和高精度LD 驅動(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 通道與單片機相連接。激光通信系統和上位機通過(guò)串口相連接，通過(guò)串口A(yíng)T 指令對激光通信系統進(jìn)行控制和數據的收發(fā)。

激光通信系統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 激光通信系統系統硬件設計

激光通信系統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計

激光通信系統主控采用意法半導體公司的STM32F407VET6處理器，該微控制器具有豐富的模擬外設和高性能的Cortex-M4 內核，同時(shí)具有FPU 單元，有效提升浮點(diǎn)運算速度，為快速傅里葉變換提供了性能支持。主控采用RC 復位電路，預留SWD 接口進(jìn)行調試。主控與上位機通過(guò)串口進(jìn)行數據傳輸，由于PC 機無(wú)TTL 串口，通過(guò)CH340 芯片進(jìn)行USB 和TTL 串口的轉換。主控及其外圍電路如圖2所示。

圖2 主控及其外圍電路設計

2.2 電源模塊設計

系統需要3.3 V、5 V 雙電源和1.235 V 三種規格的電源，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 電源用于數字電路的供電。1.235 V 電源為L(cháng)D 驅動(dòng)高精度電流源提供電壓基準。系統的電源樹(shù)有三個(gè)分支：系統總電源通過(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。

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(mǎn)足公式輸出電壓需設定為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。根據芯片數據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)射電路設計

激光發(fā)射電路由LD 驅動(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(jìn)行調制即可實(shí)現激光二極管發(fā)光強度的調制。其原理圖如圖4 所示。

圖4 LD驅動(dòng)高精度電流源

該電流源的主要器件為調整管Q₁，電流采樣電阻R₂和運算放大器U1.1。調整管Q₁工作在恒流區，可等效為1 個(gè)壓控電流源，用于調整激光二極管上通過(guò)的電流。電阻R₂對流過(guò)激光二極管的電流進(jìn)行采樣，將其轉換成電壓信號。運算放大器U1.1 用于建立負反饋環(huán)路，實(shí)現電流的負反饋。根據運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(jìn)行分壓，接入運算放大器的同相輸入端，通過(guò)調整R4的值即可調整I_LD ，從而調整激光二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。

運算放大器U1.2 連接成電壓跟隨器，單片機ADC信號通過(guò)電壓跟隨器后，經(jīng)過(guò)耦合電容疊加在節點(diǎn)電壓V_IN+上，實(shí)現流過(guò)激光二極管電流I_LD 的調制，從而實(shí)現激光二極管發(fā)光強度的調制。

2.4 激光接收電路設計

激光接收電路由I/V 轉換電路，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 轉換電路將PD 輸出的電流信號轉換為電壓信號，方便后續進(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，減小結電容的影響。本電路中的偏壓通過(guò)穩壓管D1 實(shí)現，D1 的穩壓值即為光電二極管上所加偏壓。

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

為防止信號在A(yíng)DC 采集過(guò)程中發(fā)生頻譜混疊，需對輸入信號進(jìn)行濾波。二階低通抗混疊濾波器元器件參數通過(guò)TI Filter Design Tool 進(jìn)行設計，其截止頻率為1 MHz。

3 激光通信系統系統軟件設計

激光通信系統的軟件部分包括初始化程序，上位機通信程序，數據調制發(fā)送程序， A/D 轉換信號解調程序。

初始化程序對單片機系統時(shí)鐘樹(shù)及各個(gè)外設進(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 上位機通信程序設計

上位機通信程序用于實(shí)現上位機和單片機之間的通信。上位機對系統的控制主要通過(guò)串口A(yíng)T 指令實(shí)現，串口的通信協(xié)議設計如表1。

表1 串口A(yíng)T指令協(xié)議設計

開(kāi)啟傳輸后，激光通信系統進(jìn)入串口透傳模式，通過(guò)串口直接發(fā)送數據。

串口A(yíng)T 指令的執行通過(guò)有限狀態(tài)機結構實(shí)現，程序運行分為有限個(gè)狀態(tài)，AT 指令作為狀態(tài)轉換條件觸發(fā)不同狀態(tài)之間的轉換。

當程序開(kāi)啟傳輸后，將串口接收到的上位機數據傳輸至數據緩沖區，同時(shí)在數據結構體中將標志位置1，在數據調制發(fā)送程序中進(jìn)行處理和發(fā)送。同時(shí)，以程序查詢(xún)的方式檢測接收數據緩沖區是否更新，如果更新，將接收到的數據直接通過(guò)串口發(fā)送至上位機。

3.2 數據調制發(fā)送程序設計

數據調制發(fā)送程序主要由調制和發(fā)送兩部分組成。調制程序通過(guò)雙音多頻調制方法將串口傳輸到緩沖區的數據進(jìn)行處理，產(chǎn)生調制波。發(fā)送程序在產(chǎn)生完1 個(gè)字節數據的調制波后通過(guò)DAC 輸出，疊加到激光發(fā)射電路上的調制端，對發(fā)射的激光強度進(jìn)行調制。

多音雙頻調制信號由高群和低群組成，高低群各包含4 個(gè)頻率。1 個(gè)高頻信號和1 個(gè)低頻信號疊加組成1個(gè)組合信號，共16 種組合，表示四位二進(jìn)制數據。在高群和低群中各加入1 個(gè)單頻信號作為起始信號和結束信號。傳輸時(shí)將1 個(gè)字節數據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構

每字節信號開(kāi)始傳輸后，會(huì )產(chǎn)生1 個(gè)起始單頻信號，然后先后產(chǎn)生兩個(gè)包含半字節數據的多頻信號，最后產(chǎn)生1 個(gè)終止單頻信號，該字節數據傳輸完成。傳輸的時(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，半字節數據信號，終止信號各占1 個(gè)單位時(shí)間，傳輸1 字節數據共用4 個(gè)單位時(shí)間。

3.3 A/D轉換信號解調程序設計

A/D 轉換信號解調程序主要由A/D 轉換程序和信號解調程序組成。A/D 轉換程序將前端信號通過(guò)ADC 進(jìn)行采集，生成離散序列。信號解調程序將采集到的時(shí)間序列進(jìn)行處理，還原出數據。

A/D 轉換程序由定時(shí)器進(jìn)行驅動(dòng)，將ADC 設置為定時(shí)器觸發(fā)，將定時(shí)器周期設置為0.5 μs，實(shí)現ADC固定采樣頻率采樣，待轉換完成后，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據緩沖區中。

解調程序將采集到的電壓序列分塊后，使用ST 官方DSP 庫進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到當前數據塊中的頻譜序列，檢測到起始信號后，按照時(shí)序將緩沖區的時(shí)間序列分塊進(jìn)行FFT 運算。對得到的頻譜序列進(jìn)行檢測，得到雙頻信號的頻率，按照圖6 轉換成數據，檢測到結束信號后，將數據送入串口發(fā)送數據緩沖區中，上位機通信程序啟動(dòng)串口將數據傳輸到上位機，實(shí)現數據的解調和上傳。

4 激光通信系統測試

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

圖7 激光通信系統實(shí)驗裝置

在調整好激光二極管靜態(tài)電流和前置放大器增益后，進(jìn)行數據傳輸測試，發(fā)送數據內容為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。數據傳輸結果如圖8 所示。

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

圖8 環(huán)回通信實(shí)驗結果

5 結束語(yǔ)

為解決現有的民用光通信系統制造成本高，通信距離短，通信速率慢的問(wèn)題，設計了基于STM32 的激光通信系統，該激光通信系統采用雙音多頻調制方式，通過(guò)上位機串口控制實(shí)現數據的收發(fā)。實(shí)驗結果表明，該系統具有較長(cháng)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)域的應用前景廣闊。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）