一种基于可见光的矿下语音通信系统的制作方法

本发明属于可见光通信技术领域，特别涉及一种基于可见光的矿下语音通信系统。

背景技术：

可见光通信的兴起主要基于固态照明器件LED的迅猛发展。白光LED照明技术日趋成熟，它具有节能环保、发光效率高、使用寿命长、能对抗电磁干扰等诸多优点，因此有多重优势的LED灯开始走进千家万户，在生产生活中得到了广泛的应用。可见光通信是利用LED器件的高速频率响应特性将其功能扩展到通信领域。而LED白光无线通信在矿井下的应用则更是一个全新的领域。

煤矿作为一个特殊的行业，生产工作主要在井下，其环境复杂恶劣且多变，目前用于矿下的通信网络主要有无线通信网络、有线通信网络和二者混合使用的通信网络。就有线通信网络而言，铺设通信电缆或者光纤无疑增加了工作量，而且井下巷道纵横交错，线路敷设复杂又易受到损伤和破坏，因此该通信方式在矿井下的应用受到很大的局限性。现有的无线通信主要是通过无线射频技术实现无线通信的，而电磁波的传输极易受到特殊环境的干扰，传输距离和通信质量将大大下降，而对于可见光通信则不存在电磁干扰。

可见光通信在矿井下通信环境中的应用具有明显的优势，煤矿工作面VLC能够克服井下复杂的通信环境和不断变化的通信空间，无自然光的干扰，它将载波频率上调到无线电波中的可见光频段，能非常好的解决无线射频通信频谱资源问题，又避免了无线电磁波的传播给煤矿井下环境带来的安全隐患，具有照明和通信双重功能，能量利用率大大提高，在实现正常照明功能的同时以光波为载体传输信息满足通信需求。VLC绕开了辐射和干扰，成为了多种安全性要求较高的封闭空间通信的宠儿。

技术实现要素：

本发明的目的是针对井下现有通信网络存在有线网络易损坏，无线网络通信质量较差的特点，提出将可见光通信系统应用到煤矿工作面，开发出应用于矿井下基于可见光传输的语音通信系统。

为了达到以上效果，本发明一种基于可见光的矿下语音通信系统，技术方案是：

1、该通信系统由MIC采集语音模块、信号预处理模块、单片机信号处理模块、可见光发送电路、矿井下光无线信道和可见光接收电路构成；所述的信号预处理模块包括前置放大和音频滤波；所述的单片机信号处理模块包括AD采样和串口发送；所述的可见光发送电路包括LED调制驱动电路和LED光源；所述的可见光接收电路包括PIN 光电检测电路、串口接收、D/A转换、低通滤波电路、音频功率放大电路。

2、所述的信号预处理模块包括基本的前置放大电路和300～3400Hz的8阶音频滤波电路，采用了TI公司的RC4580芯片设计电路。

3、所述的单片机信号处理模块采用MSP430，预处理过的信号由MSP430内置的A/D模块采样后通过串口发送。

4、所述的LED光源采用反光杯。

5、所述的可见光接收电路采用SFH5440作为光电检测传感器，采用低功耗、单通道、8-bit分辨率的缓冲型电压输出数模转换器DAC5571，音频功率放大电路采用TLV320AIC3100。

附图说明：

为了更清楚的说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。

图1是矿井下可见光音频系统的基本模型；

图2是矿井下可见光音频通信系统的结构；

图3是前置放大电路；

图4是PIN光电检测电路；

图5是低通滤波器电路；

图6是功率放大电路；

具体实施方式：

本发明的主旨是提出一种基于可见光的矿下语音通信系统，在照明的同时实现语音通信，有效解决了井下现有通信网络存在有线网络易损坏，无线网络通信质量较差的特点。

下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

一、矿井下可见光音频系统的基本模型

矿井下基于可见光传输的通信系统是一种应用可见光通信技术传语音的通信系统。其利用已有的照明系统，以自由空间作为传输介质，通过在工作面中加设基于LED照明灯的通信中继站，矿工佩戴具有收发信功能的LED矿灯作为移动节点，从而形成该矿下通信系统的无线通信链路。本章针对矿井下可见光音频通信系统的整体设计和系统实现进行研究，图1为矿井下可见光音频系统的基本模型。

二、矿井下可见光音频系统的结构

矿井下可见光音频通信系统的结构如图2所示。MIC采集原始信号，经过初始信号预处理模块进入430单片机中进行信号再处理，通过串口通信接口后利用LED调制电路驱动光源发光，经矿井下自由空间光信道传输，光承载信息到达接收端的光电检测器，串口接收到该信号将其送DAC5571进行数模转换，经过低通滤波输出到功放驱动喇叭发声，恢复出原始信号。

三、前置放大电路

基于RC4580芯片的前置放大电路如图3所示。RC4580内部集成了双运放，具有非常宽的工作电压：，0.8μVrms的低噪声，高达12MHz的增益带宽。本设计采用了5V单电源供电，第一级运放设计为跟随器，在一定程度可以避免由于输出阻抗较高，而下一级输出阻抗较小时产生的信号损耗，起到承上启下的缓冲作用；第二级运放产生20倍的放大效果，将输入信号放大，以便单片机后续的采集处理。

四、反光杯的引入

通常LED光源发光角度为120°左右，为了更有效的利用光能、提高系统效率，本设计引入了反光杯的使用。当光源与接收点之间的距离大于5倍的光源尺寸时，可以把LED光源近似为点光源。用点光源灯泡为光源，需远距离聚光照明的反射器，通常杯型，俗称反光杯。由于功率LED的散热性能对其可靠性有很大的影响，它的输出功率有80％转化为了热能，而温度的升高又会使得光源效率变低、光波长发生偏移等，为此在反光杯的后座添加了散热快的设计。反光杯的反射曲面实际上是改变光原来的传播方向，使光源发出的光线经反射后能按需求的方向传播，从而起到有效利用光能的作用。对不同的光源，反光杯的曲线弧度也是不同的，因为不同的光源发出的光能在空间的分布是不同的，不能用同一个反光杯去套用不同的光源，光源的光能在空间的分布是通过光强或者照度来表示的，可以通过专用的仪器设备去测定，通过看光源的配光曲线可以大致了解光源光能在空间的分布状况。反射曲线需要通过复杂的计算来控制光线在不同位置的反射方向。

五、PIN光电检测电路

本发明采用SFH5440作为光电检测传感器，它是用于接收可见光线脉冲信号并转化成数字逻辑信号的检测器，SFH5440的视角为120°，集成一体式施密特触发器电路和逻辑输出接口，具有高抗杂讯度。电路如图4所示。接收到的信号与发送端发送的信号是反相的关系，其中的74LS04反相器正是为了解决这一问题而设计的。

六、低通滤波电路

多级电路的组合往往会带来更多的噪声，因此，在驱动喇叭发声之前应该再次滤波。电路如图5所示。

七、基于TLV320AIC3100的功率放大器

TLV320AIC3100是一个功能非常强大的声卡芯片，由于其寄存器数量众多且功能交叉，故本发明只将它作为功放，通过软件编程设置参数优化声音信号，最后驱动喇叭发声。其电路如图6所示。430单片机与AIC3100通过I²C接口通信，从而控制AIC3100的寄存器。主设备用于发送时钟并启动数据传输，被主设备寻址的则为从设备，430单片机作为I2C的主设备，AIC3100作为从设备，从而完成对AIC3100的参数配置。采用I²C总线，寻址字节有8位，其中高七位为被控器件寻址位，最后一位规定数据的传送方向，无论是传送地址还是数据，都必须根据应答位发送下一位内容。本系统为半双工方式通信，需采用写入/读取的方式配AIC3100的芯片工作参数，故设置该位为0/1。主控器发送起始信号后，立即发送寻址字节，这时，总线上的所有器件都将寻址字节中的7位地址与自己器件地址相比较。若二者相同，则该器件被主控器寻址，并根据读、写位确定是被控器或接收器。初始化配置时要先初始化PLL，配置好采样频率，初始化接口协议，430通过I2C总线将配置命令发送到AIC3100，配置完成后AIC3100开始工作。

五、实例分析

为了保证系统的平稳运行，本发明先测试了直接传输基带信号的可见光系统的信道性能，即未加调制，信道编码等。测试时直接将误码分析仪的输出信号加到电光转换模块，光电转换模块输出端连接到误码分析仪的输入端，误码分析仪CLK的输出端直接通过同轴电缆短接到输入端。测试时LED采用Cree-Q5，LED功率2.2W，误码分析仪的输出码率100kHz，码型NRZ，测试时间90s，测试结果是当系统直接传输基带信号，不进行调制和信道编码时，系统传输距离为1米，当在电光转换模块和光电转换模块上均加上“光学天线”——反光杯时，能够提高系统的通信距离。经过测试的探究可知，在无人为干扰的可见光通信信道中，直接传输基带信号时，信道性能较好，可以不加调制和信道编码。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。