一种利用驱动电路开关纹波进行LED光通信的装置的制作方法

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种利用驱动电路开关纹波进行led光通信的装置。

背景技术：

可见光通信作为一项新兴技术快速发展，因为可见光的频率相比于现有无线通信技术要高很多，其理论的通信速率比现有技术快100倍以上。可见光通信是控制led的亮灭来实现的，因为led亮灭的频率非常高，超出了肉眼可以识别的频率，所以可见光通信是可以保证在通信的同时维持正常的照明效果。同时，led的市场非常广阔，广泛应用于电视、显示器、手机、家居照明等，成为了日常生活必不可少的一部分，这也就意味着可见光通信可以覆盖的范围非常大。

另外，可见光通信的成本也更加低廉，依靠日常照明即可实现数据的交互。可见光无法穿透不透明障碍物，所以所有通信的信息只局限于一个房间或者某一个特定区域，且随着距离的增加光的强度快速减小，信噪比也跟着减小，相比于现有无线通信技术减少了其他人接触到这些通信数据的可能性，这从特定角度可以理解为保证了通信时的安全问题。更重要的是，无线通信的频谱是受到严格管控的，各个通讯公司需要在有线的频谱里完成信号的传输，但是光波并没有这样的问题，而且因为光波无法穿透不透明障碍物，光波的频谱在不同的区域是可以重复利用的。

但是对于led的驱动方式并没有一个被广泛接受的模式，led的驱动主要有三方面的考虑：成本、效率和通信速率。现有的拓扑之一如图1所示，通过开关信号来驱动mos管，因为mos管的伏安特性曲线的特性是在小电流时呈现电阻性质，即线性电阻区；在大电流时基本保持电流恒定，不随源漏极电压而变化，即饱和区，其中这个维持的电流的数值是根据门极和源极之间的电压差来决定的。所以可以通过设定某一门极电压为工作电压以达到led的恒流控制，整个工作过程是通过门极电压在设定工作电压和0之间来回切换的。如图1所示，信号传输过程中，如果一个码元内开通信号在前则表示0，关断信号在前则表示1；这种方法成本低廉，但是损耗较高，因为mos工作在饱和区，相当于线性电源，效率计算等于led两端电压除以输入直流电源电压，一般为了保证正常工作，输入直流电源电压和led两端电压会保留一定的裕量，这就导致效率不高，这还是在不考虑辅助电源的情况下计算的效率。

由此可见，现有市场上的led驱动电路基本都是在做成本、效率和通信速率之间的权衡，并没有一种能够在三方面同时兼顾的方案被提出。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种利用驱动电路开关纹波进行led光通信的装置，该装置的拓扑采用dc-dc变换器，控制方式采取恒定输出电流控制，在不增加任何器件的情况下，通过开关纹波实现信号的传输。

一种利用驱动电路开关纹波进行led光通信的装置，其采用输出恒流控制的dc-dc变换器，通过控制dc-dc变换器的pwm开关信号调节开关纹波的频率、幅值和相位，该开关纹波叠加在led辐射光强中以实现通信；所述装置把生成pwm开关信号所需开关频率的三角波作为载波信号，调制方式为相移键控。

进一步地，所述装置的工作状态分成两个阶段：空闲阶段和通信阶段；数据的传输只在通信阶段进行，通信阶段又由过渡阶段和传输码元阶段交替组成，一个通信阶段对应了一帧数据的传输时间，一帧数据包含n个码元，一组交替的过渡阶段和传输码元阶段共同组成了一个码元的传输时间，即一帧数据的传输时间包含了n组交替的过渡阶段和传输码元阶段，n为大于1的自然数。

进一步地，所述空闲阶段dc-dc变换器的开关频率为固定值f1，传输码元阶段dc-dc变换器的开关频率为固定值f2，过渡阶段dc-dc变换器的开关频率为动态值；对于一个通信阶段中第n个过渡阶段并网逆变器的开关频率fad(n)，其计算表达式如下：

若an-1+datan≥k，则

若an-1+datan＜k，则

其中：k表示传输数据的进制，datan表示通信阶段对应传输的一帧数据中第n个码元，m为一个过渡阶段中包含的开关周期数，且规定a0＝0，％为取模运算符，datai表示通信阶段对应传输的一帧数据中第i个码元，n为自然数且1≤n≤n。

进一步地，一个通信阶段中每个传输码元阶段的时长t固定，且t＝a/f2，a为一个传输码元阶段中包含的开关周期数；一个通信阶段中每个过渡阶段的时长不固定，且其中第n个过渡阶段的时长t(n)＝m/fad(n)。

进一步地，开关频率f1-f2的值大于dc-dc变换器闭环传递函数的穿越频率，所述逆变电路闭环传递函数表示对dc-dc变换器进行电力电子建模之后求得流过led的输出电流与占空比信号在频域上的关系表达式，当两者在某一频率幅值相等时，则该频率即为所述穿越频率。

进一步地，所述装置包括直流源、输入电容cin、开关管t1和t2、电感l、输出电容cout、负载led、采样电阻和采样控制电路；其中，输入电容cin的一端与直流源的正极以及开关管t1的漏极相连，输入电容cin的另一端与直流源的负极、开关管t2的源极、输出电容cout的一端以及采样电阻的一端相连并接地，开关管t1的源极与开关管t2的漏极以及电感l的一端相连，电感l的另一端与输出电容cout的另一端以及负载led的阳极相连，负载led的阴极与采样电阻的另一端相连，采样控制电路通过采样电阻获取流经负载led的电流并采用输出恒流控制方法生成相应的pwm开关信号提供给开关管t1和t2的栅极。

部分led装置在运行过程中需要对其各种状态进行监控，此时需要使用到led装置的通信功能。本发明装置实现了在不影响正常照明且不增加专门的有线、无线通讯设备的条件下进行完成数据的传输，这使得led装置运行状态的监控变得便捷且成本低廉；同时，本发明装置利用开关纹波作为载波信号，能够满足低速通信领域对于数据传输的要求。

附图说明

图1为现有的led驱动电路示意图。

图2为dc-dc变换器的系统控制流程框图。

图3为基于buck电路的led驱动电路示意图。

图4为调制信号的波形示意图。

图5为通信帧格式示意图。

图6为led电流及解调波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图从具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明利用开关纹波进行led光通信的装置，采用输出恒流控制的dc-dc变换器，通过控制dc-dc变换器的pwm开关信号调节led的电流纹波，在led辐射光强中叠加纹波信号从而实现通信；本发明装置把开关频率的三角波作为载波信号，调制方式为相移键控。

本发明装置的工作状态分成两个阶段：空闲阶段和通信阶段，通信阶段又包括传输码元阶段和过渡阶段，信息的传输只在通信阶段完成。整个工作过程由空闲阶段和通信阶段交替组成，通信阶段又由过渡阶段和传输码元阶段交替组成，一个传输码元阶段和过渡阶段共同组成一个码元。一个通信阶段包含一帧数据，一帧数据中包含n个码元，即一帧数据由n个传输码元阶段和过渡阶段交替组成；空闲阶段开关频率为固定值f1，传输码元阶段开关频率为固定值f2，过渡阶段开关频率为动态值fad(n)。

如图2所示，首先确定装置是否需要发送数据，如果不需要，则当前为空闲阶段，开关频率fs为固定值f1；如果需要，则当前为通信阶段，再判断当前处于何种通信阶段，如果是传输码元阶段，则开关频率fs为固定值f2；如果是过渡阶段，则fs＝fad(n)，其计算表达式如下：

若an-1+datan≥k，则

若an-1+datan＜k，则

其中：k表示传输数据的进制，datan表示通信阶段对应传输的一帧数据中第n个码元，m为一个过渡阶段中包含的开关周期数，且规定a0＝0，％为取模运算符，datai表示通信阶段对应传输的一帧数据中第i个码元，n为自然数且1≤n≤n。

上述fs是当作载波的三角波的频率，如图2所示，参考电流iref减去输出电流io(s)经过电流反馈网络h(s)的信号后得到误差信号e(s)，再经过比例积分调节得到占空比信号d(s)，该占空比信号和上述三角载波通过比较器进行比较，生成开关信号。该开关信号再经过开关管放大以后流过rlc滤波电路，该滤波电路由输出电感、输出电容和负载组成，然后该信号反映在输出电流io(s)上，又因为输出电流io(s)流过led负载，所以该信号最后可以在辐射光强light(s)中体现。

每个传输码元阶段时长固定，a为固定值，每个过渡阶段时长不固定，同时，为了保证通信的准确率，避免通信阶段和非通信阶段信号的相互干扰，需要设置f1-f2大于电路闭环传递函数的穿越频率，这样就避免了电路在动态相应的时候对通信产生频谱迁移的影响，影响到通信的可靠性。

在硬件连接上，本发明装置具体实施采用同步buck电路，电路结构如图3所示，包括输入电容cin、开关管s1和s2、电感l、输出电容cout、负载led和采样控制电路；其中，输入电容cin的正极和开关管s1的漏极以及输入正极电源线相连，开关管s1的源极和开关管s2的漏极以及电感l的一端相连，电感l的另一端和输出电容cout的正极以及负载led的阳极相连，负载led的阴极、输出电容cout的负极、开关管s2的源极、输入电容cin的负极以及输入负极电源线相连，开关管s1和s2的栅极接控制器输出后经过驱动器的控制信号。其中，uin是12v电源，cin是40uf输入电容，t1是上管，t2是下管，l是30uh电感，cout是30uf输出电容，led即负载，rsample是采样电阻用于测量输出电流，t1和t2都是耐压30v导通电阻4.4mω的mos管。

空闲阶段和通信阶段的开关频率应该大于3khz，本发明涉及空闲阶段开关频率100khz，通信阶段开关频率83.3khz。信号通过相移键控进行调制，要实现相位调制就需要根据码元的数据改变码元之间间隔的时间；如图6所示，每个传输码元阶段长度264us，即22个开关周期，过渡阶段占用3个开关周期，编码采用4进制。图4中第一个数据为0，第二个数据为1，根据和得到这段过渡阶段的时间为39us；第三个数据为3，根据和得到这段过渡阶段的时间为33us；第四个数据为3，根据和得到这段过渡阶段的时间为45us。

图5是通信时的帧格式，一帧由60个码元组成，通信采用4进制。0～3号数据表示帧头；4、5号数据表示设备编号；6、7号数据表示工作状态；8～23号数据表示从投入使用开始设备总运行时长(单位：秒)；24～27号数据表示输出功率(经过编码)；28～35号数据表示温度(单位：摄氏度)，暂时保留；36～43号数据暂时保留；44～51号数据表示和校验；52～59号数据表示帧尾。

如图6所示，上方的波形是一帧内led的电流，下方是对光信号进行解调后的结果。经过解调以后分析波形，解调以后将数据通过adc输出，总共五个电平，分别表示数据“0”、“1”、“2”、“3”和空闲电平，空闲电平的电压值为数据“0”和“1”电平的一半，所以经过解调以后得到的数据是“003301020000000000000012022000000000000000000000103333333330”，对应到十六进制即“0x0f120000000628000000000004ffffc”。将该信息进行翻译以后得到如下信息：设备编号：01，工作状态：02，总工作时长：6秒，输出功率：40(实验中该数据除以40即实际输出功率，所以实际输出功率为1.0w)，温度：0(该数据现为保留数据)，和校验：79＝18+6+40+15(和校验的过程以16进制的数据进行，其中最后的15是帧头0x0f)。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。