基于STM32的激光通信系统设计

  作者：逯逸1,张凤玲2,曹梓钰3(1.沈阳航空航天大学自动化学院,沈阳 110000;2.沈阳航空航天大学航空发动机学院,沈阳 110000;3.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110000)

  ：激光通信具有保密性强、通信容量大、重量轻、功耗和体积小、制造和维护费用低等特点。为满足民用领域对于激光通信的需求，设计了一种基于STM32的激光通信系统。该系统由激光发射模块、激光接收模块，STM32F407主控模块组成，采用双音多频方式来进行调制。在实验室环境下进行了环回通信实验，实验表明，系统具有较长的通信距离，较高的通信速率，实现了数据的稳定收发。该激光通信系统具有成本低，通信稳定性强，保密性好等特点，为民用激光通信提供了解决方案。

  激光通信在卫星通信，水下通信，无人机通信等领域都有大范围的应用。激光通信作为一种光通信方式，与无线电通信相比，具有保密性强，通信容量大，重量轻，功耗和体积小，成本低等特点[1]。激光通信由于其系统较为复杂的原因，在民用领域还不够普及。

  红外通信是一种光通信方式，广泛应用于民用领域，但其传输距离通常较短，文献[2] 设计了一种数字模拟混合红外通信系统，其通信距离仅有1.2M，实用型较差。文献[3]设计了一种近场无线激光通信系统，但其系统组成复杂，生产所带来的成本较高，不适合民用领域量产。文献[4]设计了基于脉冲拨号的抗抖动激光通信系统，但其发送时间过长，通信速率较低。

  为解决以上问题，本文设计了一种基于STM32激光通信系统，该系统由激光发射模块、激光接收模块和F407 主控模块组成，采用双音多频调制方式来进行信号调制。系统能通过上位机经由串口来控制，实现数据的收发，为低成本民用激光通信提供了解决方案。

  激光通信系统共分为软件层和硬件层，软件层由C语言编写，微控制器为软件层的运行载体，硬件层总体设计如图1 所示。

  硬件层由激光发射模块、激光接收模块和主控模块组成。激光发射模块包括激光二极管（LD）、激光准直系统和高精度LD 驱动电流源，激光接收模块包括光电二极管（PD）和激光接收前端电路。激光发射模块和激光接收模块分别通过D/A 通道和A/D 通道与单片机相连接。激光通信系统和上位机通过串口相连接，通过串口AT 指令对激光通信系统来进行控制和数据的收发。

  激光通信系统A、B 两个终端在进行通信时，只需将A 和B 终端的传光通路联通即可，可通过光纤进行联通，也可直接在空间中进行传输。

  激光通信系统的硬件部分包括主控及其外围电路，电源模块，激光发射电路和激光接收前端电路。

  激光通信系统主控采用意法半导体公司的STM32F407VET6处理器，该微控制器有着非常丰富的模拟外设和高性能的Cortex-M4 内核，同时具有FPU 单元，有效提升浮点运算速度，为快速傅里叶变换提供了性能支持。主控采用RC 复位电路，预留SWD 接口进行调试。主控与上位机通过串口进行数据传输，由于PC 机无TTL 串口，通过CH340 芯片进行USB 和TTL 串口的转换。主控及其外围电路如图2所示。

  系统需要3.3 V、5 V 双电源和1.235 V 三种规格的电源，其中，5 V 双电源用于模拟部分的供电，包括激光发射模块和激光接收模块。3.3 V 电源用于数字电路的供电。1.235 V 电源为LD 驱动高精度电流源提供电压基准。系统的电源树有三个分支：系统总电源通过USB 5 V电源输入，分别接入TPS65133 双5 V 电源，MT2492斩波降压3.3 V 电源，LM385 高精度1.235 V电压基准。

  MT2492是西安航天民芯的一款斩波降压控制器芯片，具有最高96% 的效率。电源模块原理图如图3 所示，输出电压满足公式

  LM385 为凌特公司的高精度电压基准芯片，输出电压为1.235 V，具有1% 的电压精度，低达60 μV（RMS）的噪声。根据芯片数据手册中对其工作电流的要求，配置限流电阻R0=2 kΩ。

  激光发射电路由LD 驱动高精度电流源和激光二极管组成，该电流源为激光二极管提供了稳定的静态工作电流。由于激光二极管的发光强度和电流近似为正比关系，所以对电流进行调制就可以实现激光二极管发光强度的调制。其原理图如图4 所示。

  该电流源的主要器件为调整管Q1，电流采样电阻R2和运算放大器U1.1。调整管Q1工作在恒流区，可等效为1 个压控电流源，用于调整激光二极管上通过的电流。电阻R2对流过激光二极管的电流进行采样，将其转换成电压信号。运算放大器U1.1 用于建立负反馈环路，实现电流的负反馈。根据运算放大器的虚短虚断关系，最终流过LD 的电流可通过下式计算：ILD=VIN+/R2。电压基准芯片 U4 提供 1.235 V 的参考电压，R6和R4对基准电压进行分压，接入运算放大器的同相输入端，通过调整R4的值即可调整ILD，从而调整激光二极管的静态工作点。

  运算放大器U1.2 连接成电压跟随器，单片机ADC信号通过电压跟随器后，经过耦合电容叠加在节点电压VIN+上，实现流过激光二极管电流ILD的调制，以此来实现激光二极管发光强度的调制。

  激光接收电路由I/V 转换电路，前置可变增益放大电路，ADC 前端抗混叠滤波器组成，其原理图如图5所示。

  I/V转换电路将PD 输出的电流信号转换为电压信号，方便后续做处理，其跨阻由电阻R6 的阻值决定。由于光电二极管存在结电容，其高频特性会受一定的影响，在使用时需加偏压，减小结电容的影响。本电路中的偏压通过稳压管D1 实现，D1 的稳压值即为光电二极管上所加偏压。

  完成光电二极管的I/V转换后，将得到的电压送入前置可调增益放大器，对电压进行二次放大，该级的增益可通过电位器R8 进行调节。放大后的信号通过抗混叠滤波器送入单片机ADC 引脚进行采集。

  为防止信号在ADC 采集过程中发生频谱混叠，需对输入信号进行滤波。二阶低通抗混叠滤波器元器件参数通过TI Filter Design Tool 进行设计，其截止频率为1 MHz。

  激光通信系统的软件部分包括初始化程序，上位机通信程序，数据调制发送程序， A/D 转换信号解调程序。

  初始化程序对单片机系统时钟树及各个外设进行初始化，包括串口的初始化，ADC 的初始化，DAC 的初始化，DMA 的初始化，定时器的初始化等。

  上位机通信程序用于实现上位机和单片机之间的通信。上位机对系统的控制主要是通过串口AT 指令实现，串口的通信协议设计如表1。

  串口AT 指令的执行通过有限状态机结构实现，程序运行分为有限个状态，AT 指令作为状态转换条件触发不同状态之间的转换。

  当程序开启传输后，将串口接收到的上位机数据传输至数据缓冲区，同时在数据结构体中将标志位置1，在数据调制发送程序中做处理和发送。同时，以程序查询的方式检测接收数据缓冲区是否更新，如果更新，将接收到的数据直接通过串口发送至上位机。

  数据调制发送程序主要由调制和发送两部分所组成。调制程序通过双音多频调制方法将串口传输到缓冲区的数据来进行处理，产生调制波。发送程序在产生完1 个字节数据的调制波后通过DAC 输出，叠加到激光发射电路上的调制端，对发射的激光强度进行调制。

  多音双频调制信号由高群和低群组成，高低群各包含4 个频率。1 个高频信号和1 个低频信号叠加组成1个组合信号，共16 种组合，表示四位二进制数据。在高群和低群中各加入1 个单频信号作为起始信号和结束信号。传输时将1 个字节数据分为高半字和低半字，先后进行传输。各群频率分配和帧格式如图6 所示。

  每字节信号开始传输后，会产生1 个起始单频信号，然后先后产生两个包含半字节数据的多频信号，最后产生1 个终止单频信号，该字节数据传输完成。传输的时序由定时器控制，定时器每产生1 次中断为1 个单位时间，起始信号，半字节数据信号，终止信号各占1 个单位时间，传输1 字节数据共用4 个单位时间。

  A/D 转换信号解调程序主要由A/D 转换程序和信号解调程序组成。A/D 转换程序将前端信号通过ADC 进行采集，生成离散序列。信号解调程序将采集到的时间序列做处理，还原出数据。

  A/D 转换程序由定时器进行驱动，将ADC 设置为定时器触发，将定时器周期设置为0.5 μs，实现ADC固定采样频率采样，待转换完成后，会产生事件触发DMA 传输，读出采集到的电压序列到数据缓冲区中。

  解调程序将采集到的电压序列分块后，使用ST 官方DSP 库进行快速傅里叶变换（FFT），得到当前数据块中的频谱序列，检测到起始信号后，按照时序将缓冲区的时间序列分块进行FFT 运算。对得到的频谱序列进行仔细的检测，得到双频信号的频率，按照图6 转换成数据，检测到结束信号后，将数据送入串口发送数据缓冲区中，上位机通信程序启动串口将数据传输到上位机，实现数据的解调和上传。

  为测试激光通信系统的有效性与实用性，在实验室环境下搭建激光通信系统实验装置并进行通信测试。在距离激光通信系统25 m 处使用平面镜将激光束反射回系统的接收端，对激光通信系统来进行环回通信测试。搭建的激光通信系统实验平台如图7 所示。

  在调整好激光二极管静态电流和前置放大器增益后，进行数据传输测试，发送数据内容为7 个字符，共56 个bit，发送间隔为30 ms，波特率为1 866 bit/s。数据传输结果如图8 所示。

  经测试，该系统通信距离可达50 m，通信波特率可达1 800 bit/s 以上，具有较强的通信稳定性。

  为解决现有的民用光通信系统制造成本高，通信距离短，通信速率慢的问题，设计了基于STM32的激光通信系统，该激光通信系统采用双音多频调制方式，通过上位机串口控制实现数据的收发。实验根据结果得出，该系统具有较长的通信距离，较高的通信速率，为低成本民用激光通信提供了解决方案，在民用激光通信领域的应用前景广阔。

  [1] 刘润芃,佟首峰,张鹏,等.水下可见光通信技术探讨研究[J/OL].光通信研究2023:1-6.

  [4] 林晨岚,陈香宇,宋欣然,等.基于脉冲拨号的抗抖动激光通信系统设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2022,40(1):125-131.

  [6] 范迪,王侃侃,高洁,等.数字信号处理中DTMF信号检测案例设计及教学应用[J].中国多媒体与网络教学学报(上旬刊),2022(5):61-64.

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