基于FPGA和CMOS摄像头的可见光通信系统的制作方法

基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统
技术领域
1.本发明涉及无线通信领域，尤其涉及基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统。


背景技术：

2.现有的无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、昂贵、但效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率仅仅只有5％，与使用的无线局域网(无线lan)相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线lan局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传数据。可见光系统还具有安全性高的特点。用遮挡物对光线进行阻隔遮掩，信息就不会外泄至传输区域外，只要在随处可见的led灯上加装控制芯片就可以实现信息的传播，非常简便而高效，正因如此，可见光通信具有非常广阔且良好的发展前景，因此，发明出基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统变得尤为重要；
3.经检索，中国专利号cn103684597a公开了基于fpga的可见光视频通信系统及方法，该发明虽然实现短距离、高速率的可见光视频通信，但采集led光信号时，容易产生采集误差，导致输出误码率较大；此外，现有的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统无法记录通信过程中出现的误码率，导致工作人员无法对该可见光通信系统进行数据分析，降低工作人的工作效率，为此，我们提出基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统，包括程序烧录模块、信号发射模块、信号接收模块、锁相环模块、数据缓存模块、数据优化模块以及数据提取模块；
7.其中，所述信号发射模块分别与程序烧录模块、信号接收模块通信连接，所述信号接收模块分别与锁相环模块、数据缓存模块通信连接，所述数据缓存模块与数据优化模块通信连接，所述数据提取模块与数据优化模块通信连接；
8.所述信号发射模块包括程序解析单元以及led灯阵；
9.所述信号接收模块包括信号转换单元以及cmos摄像头，其中，cmos摄像头具体型号为ov5640；
10.所述锁相环模块包括压控振荡器、相位比较器以及基准频率振荡器。
11.进一步地，所述程序烧录模块用于一号fpga开发板与计算机link连接，并接收工作人员通过quartus软件编写好的程序。
12.进一步地，所述程序解析单元用于接收烧录完成的程序，并对其进行数据解析，其数据解析具体步骤如下：
13.步骤一：程序解析单元对烧录完成的程序进行分析，并按照高电平信号以及低电平信号对程序控制的电信号进行分类，并分别标记为t、f；
14.步骤二：对程序中定时数据进行提取，并将高低电平信号变换时间标记为c；
15.步骤三：将高电平信号以及低电平信号显示的对应阵列位置数据进行提取，并分别标记为(xi，yi)以及(zn，ln),其中，i、n都为自然数；
16.led灯阵用于接收t、f、c、(xi，yi)以及(zn，ln)，并开始进行信号发送，其信号发送具体步骤如下：
17.步骤(1)：led灯阵接收到t以及f，并开始检索与之对应的(xi，yi)以及(zn，ln)；
18.步骤(2)：将led灯阵中与(xi，yi)以及(zn，ln)对应的led灯依据对应高低电平信号进行亮度调整；
19.步骤(3)：当led灯显示时间达到c时，led灯阵开始重新接收t以及f，并进行显示。
20.进一步地，所述cmos摄像头对led灯阵发送的光信号进行实时采集，并将采集到的光信号发送至信号转换单元；
21.信号转换单元用于二号fpga开发板对cmos摄像头采集到的光信号进行多种处理生成原始的发送电信号，并将其输出。
22.进一步地，所述锁相环模块用于实时检测信号接收模块输出信号相位差，并对其进行频率调整，其频率调整具体步骤如下：
23.s1：信号接收模块开始输出发送电信号时，锁相环模块开始将其与压控振荡器的信号相位进行比较，若两组信号存在相位差存在时，便会产生相位误差信号输出；
24.s2：锁相环模块接收误差信号，同时检测基准频率振荡器以及压控振荡器的频率，并将其标记为b1以及b2；
25.s3：若b1＞b2，锁相环模块开始控制相位比较器产生正脉波信号，提高压控振荡器的振荡器频率；
26.s4：若b1＜b2，锁相环模块开始控制相位比较器产生负脉波信号，降低压控振荡器的振荡器频率。
27.进一步地，所述数据缓存模块用于接收信号转换单元输出的发送电信号，并将其进行数据缓存；
28.所述数据优化模块用于对数据缓存模中存储的发送电信号进行提取优化，其信息优化具体步骤如下：
29.ss1：数据优化模块提取发送电信号，并对其进行时序匹配，将其时序转变为vga时序；
30.ss2：时序转换完成，对其进行灰度处理，并经过有效行选择以及阈值判断对灰度值进行矫正处理后生成结果数据。
31.进一步地，所述数据提取模块用于接收结果数据，并对其进行数据比对，其数据比对具体步骤如下：
32.p1：数据提取模块与外部示波器进行通信连接，并将结果数据发送至示波器进行波形显示；
33.p2：将输入的波形和输出的波形进行比较，并判断其通信效果，同时将示波器所显示的数据提取出来，并对其误码率进行分析；
34.p3：计算机接收通信效果以及误码率，并生成记录表进行记录，同时将记录完成的记录表反馈给工作人员。
35.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
36.1、本发明设置有信号接收模块，一号fpga开发板通过程序解析单元与计算机link连接，并接收工作人员通过quartus软件编写好的程序，程序解析单元用于接收烧录完成的程序，并对其进行解析，led灯阵依据解析完成的数据开始发送光信号，cmos摄像头对led灯阵发送的光信号进行实时采集，同时将采集到的光信号发送至信号转换单元进行信号转换处理并输出，锁相环模块对输出信号进行频率调整，通过cmos摄像头对led灯阵发送的光信号进行采集，能够避免产生采集误差，增加通信可靠性，同时对输出信号频率进行实时调整，提高了数据传输的稳定性，降低误码率；
37.2、本发明设置有数据提取模块，数据缓存模块开始接收信号转换单元输出的发送电信号，并将其进行数据缓存，数据优化模块开始提取数据缓存模块中缓存的数据，并对其进行时序匹配，将其时序转变为vga时序，时序转换完成，对其进行灰度处理，并经过有效行选择以及阈值判断对灰度值进行矫正处理后生成结果数据，数据提取模块将结果数据发送至示波器进行波形显示，将输入的波形和输出的波形进行比较，并判断其通信效果，同时将示波器所显示的数据提取出来，并对其误码率进行分析，计算机接收通信效果以及误码率，并生成记录表进行记录，同时将记录完成的记录表反馈给工作人员，能够实时记录误码率以及通信效果，便于工作人员记录并对该通信系统进行优化，提高工作人员工作效率。
附图说明
38.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
39.图1为本发明提出的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统的系统框图；
40.图2为本发明提出的的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统中信号发射模块的结构示意图；
41.图3为本发明提出的的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统中信号接收模块的结构示意图；
42.图4为本发明提出的的基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统中锁相环模块的结构示意图。
具体实施方式
43.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
44.实施例1
45.参照图1
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4，基于fpga和cmos摄像头的可见光通信系统，包括程序烧录模块、信号发射模块、信号接收模块、锁相环模块；
46.其中，信号发射模块分别与程序烧录模块、信号接收模块通信连接，信号接收模块分别与锁相环模块、数据缓存模块通信连接，数据缓存模块与数据优化模块通信连接，数据提取模块与数据优化模块通信连接；
47.信号发射模块包括程序解析单元以及led灯阵；
48.信号接收模块包括信号转换单元以及cmos摄像头；
49.锁相环模块包括压控振荡器、相位比较器以及基准频率振荡器。
50.程序烧录模块用于一号fpga开发板与计算机link连接，并接收工作人员通过quartus软件编写好的程序，程序解析单元开始接收烧录完成的程序，并对其进行数据解析，led灯阵接收到程序解析单元解析完成的数据，并开始进行信号发送，cmos摄像头对led灯阵发送的光信号进行实时采集，并将采集到的光信号发送至信号转换单元，信号转换单元用于二号fpga开发板对cmos摄像头采集到的光信号进行多种处理生成原始的发送电信号，并将其输出，锁相环模块用于实时检测信号接收模块输出信号相位差，并对其进行频率调整。
51.具体的，首先，程序解析单元对烧录完成的程序进行分析，并按照高电平信号以及低电平信号对程序控制的电信号进行分类，并分别标记为t、f，同时程序解析单元对程序中定时数据进行提取，并将高低电平信号变换时间标记为c，将高电平信号以及低电平信号显示的对应阵列位置数据进行提取，并分别标记为(xi，yi)以及(zn，ln),其中，i、n都为自然数，其次，led灯阵开始接收t以及f，并开始检索与之对应的(xi，yi)以及(zn，ln)，将led灯阵中与(xi，yi)以及(zn，ln)对应的led灯依据对应高低电平信号进行亮度调整，当对应led灯显示时间达到c时，led灯阵开始重新接收t以及f，并进行显示，同时cmos摄像头开始实时采集led灯阵发送的光信号进，并将采集到的光信号发送至信号转换单元，二号fpga开发板通过信号转换单元对cmos摄像头采集到的光信号进行多种处理生成原始的发送电信号，并将其输出，信号输出的同时，锁相环模块开始将其与压控振荡器的信号相位进行比较，若两组信号存在相位差存在时，便会产生相位误差信号输出，锁相环模块接收误差信号，同时检测基准频率振荡器以及压控振荡器的频率，并将其标记为b1以及b2；若b1＞b2，锁相环模块开始控制相位比较器产生正脉波信号，提高压控振荡器的振荡器频率，若b1＜b2，锁相环模块开始控制相位比较器产生负脉波信号，降低压控振荡器的振荡器频率，通过cmos摄像头对led灯阵发送的光信号进行采集，能够避免产生采集误差，增加通信可靠性，同时对输出信号频率进行实时调整，提高了数据传输的稳定性，降低误码率。
52.本实施例中cmos摄像头具体型号为ov5640。
53.实施例2
54.除与实施例1结构相同外，本实施例主要阐述的是数据处理优化过程，其包括数据缓存模块、数据优化模块以及数据提取模块；
55.数据缓存模块接收信号转换单元输出的发送电信号，并将其进行数据缓存，数据优化模块用于对数据缓存模中存储的发送电信号进行提取优化，数据提取模块用于接收结果数据，并对其进行数据比对。
56.具体的，首先，数据优化模块提取发送电信号，并对其进行时序匹配，将其时序转变为vga时序，时序转换完成，对其进行灰度处理，并经过有效行选择以及阈值判断对灰度值进行矫正处理后生成结果数据，数据提取模块与外部示波器进行通信连接，并将结果数据发送至示波器进行波形显示，计算机将输入的波形和输出的波形进行比较，并判断其通信效果，同时将示波器所显示的数据提取出来，并对其误码率进行分析，计算机接收通信效果以及误码率，并生成记录表进行记录，同时将记录完成的记录表反馈给工作人员，能够实
时记录误码率以及通信效果，便于工作人员记录并对该通信系统进行优化，提高工作人员工作效率。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。