一种led照明智能控制系统的光接收装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能家居技术领域，尤其是一种LED照明智能控制系统的光接收装置。
【背景技术】
[0002]智能家居是在物联网的影响之下物联化体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等)连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
[0003]可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。
【发明内容】
[0004]本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种将可见光通信技术运用到智能家居系统控制中，将智能家居控制系统与照明系统融为一体，通过控制LED照明灯的通断来实现对家用电器设备进行实时控制的LED照明智能控制系统的光接收装置。
[0005]为实现上述发明目的，提出了如下技术方案:
[0006]—种LED照明智能控制系统的光接收装置，包括光探测器、开关电路、前置放大器、主放大器、滤波电容、反相器;LED灯根据信号指令快速通断，所述光探测器快速响应，对每一次接通都接收并将其转换为电信号，即为高电平，而每次断开即为低电平，然后由后端的开关电路、前置放大器、主放大器、滤波电容、反相器处理，输出稳定的方波信号用于控制家用电器。
[0007]所述光探测器为利用井屏蔽衬底载流子的双光电二极管DPD结构；CMOS工艺中用来实现源漏区的离子注入被用来形成的Dro阴阳极;制作方法为在N井内制作P+叉指排列电极，并利用N+扩散引出井电极，N井周围被P+保护环包围。P+叉指结构排列是为了增加耗尽区宽度且使耗尽区电场更加均匀，以利于更多的光生载流子做快速漂移运动。
[0008]所述光探测器输出电流在1.5μΑ至3.5μΑ之间，而在关闭顶棚光源且窗帘打开的自然光照射下有约0.2μΑ的输出。
[0009]在所述光探测器与放大电路之间加入了一个开关电路。
[0010]所述开关电路包括P沟道增强型MOS管Ml与N沟道增强型MOS管M2组成第一反相器；P沟道增强型MOS管M3与N沟道增强型MOS管Μ4组成第二反相器;N沟道增强型MOS管115与卩沟道增强型MOS管M6组成CMOS传输门；&端连接光探测器输出、b端连接后端放大电路输入。
[0011]在可见光接收机中，探测器感应光信号，输出量级的电流脉冲信号。而前置放大器，用于将此电流信号转化为电压信号，并进行放大;所述前置放大器是跨阻放大器，所述跨阻放大器通过跨接在输入端和输出端的反馈电阻构成电压并联负反馈结构。其具有输入电阻小、引入噪声小、波形失真小、带宽较大、动态范围较大和稳定性高等优点且不需要均衡电路。
[0012]所述跨阻放大器由Ml、M2、R1、R2、R3构成了 RGC结构，然后为三级共源放大器级联，最后输出使用了一级共漏级放大器(源跟随器)作为缓冲级;跨阻Rf连接于LINEl与LINE2之间。
[0013]在跨阻放大电路上串上跨阻R与开关电路，其中的开关电路与跨阻放大器前的开关电路一样。而为了满足稳定的电压输出，同时设计有六组不同阻值R与所述开关电路并联，它们分别为1ΚΩ、5ΚΩ、10ΚΩ、20ΚΩ、50ΚΩ、100Κ Ω ;当要选用其中一个跨阻时，将这个电阻开关电路的SEL接电源，其余5组开关电路都接地即可实现。所述六个跨阻能保证跨阻放大器在ΙμΑ至20μΑ的宽输入范围内皆可获得理想的输出。
[0014]所述主放大器由4个基本差分单元直接耦合组成，并在输出至输入端连接有失调补偿回路，以弥补CMOS器件之间和电阻器件之间的不匹配，保证电路的正常工作。
[0015]所述主放大器还包括一差分单元，所述差分单元，为双端输入双端输出。由于集成电路的元器件对称性相对较好，所以双端输出的信号近似于大小相等反向相反的理想差模信号，对下一级放大器的是理想旳输入。但是对于第一级放大器而言，之前跨阻放大器是单端输出，在两极连接时采用了简单的高通滤波电路，一是为了滤除直流分量，二是将跨阻放大器与主放大器独立开来，使一些在跨阻放大器中引入的低频噪声分量不会在主放大器中被放大。而滤波后的交流分量接入差分单元的其中一端输入，另一端提供相同的直流偏置，使两个管子达到对称，并同时开启，因为差动放大器在双端输入的情况下放大器的输出只与两个输入信号的差值成正比，而与输入电压本身大小无关，所以这样就将跨阻放大器的单端输出经一级差分后转为了一组较好的差动信号供后端差分单元继续放大。
[0016]所述光接收装置还包括失调补偿回路，所述失调补偿回路是RC低通滤波负反馈，在输出与输入端接入RC低通滤波负反馈，消除交流信号，同时利用负反馈对输入进行补偿，尽量减小电路对工艺偏差及环境变化的敏感度。
[0017]所述输出端还包括一个反相器，首先信号经主放大器放大后，最终为双端输出，选择其中一端输出连接一耦合电容将直流分量滤出，保留放大后的高频信号，然后将此信号连接一反相器再进行输出。
[0018]—种利用上述光接收装置的LED照明智能家居网络系统，包括一个接入控制器，连接于外部网络；多个白光LED照明光源连接于接入控制器;多个光学探测器，连接于接入控制器;个适配器；以及多个用户设备，连接于多个适配器，并通过所述多个适配器进行数据的发送和接收。所述接入控制器和适配器中均包含有一个光学无线通信协议模块，该光学无线通信协议模块控制数据帧在自白光LED照明光源到适配器的下行链路以及自适配器到光学探测器的上行链路中进行传输。所述接入控制器用于驱动白光LED照明光源和光学探测器，实现电学信号与光学信号相互转换，且所述接入控制器具备与外部网络数据通信接口，执行数据传输控制协议。所述适配器具有发射光源和光学探测器，且能够驱动自身具有的发射光源和光学探测器，具备与不同用户设备交换数据的接口，执行数据传输控制协议。所述适配器具有的发射光源是符合人眼安全标准的LED或激光器。所述适配器具有的发射光源，其发射的光学信号至少覆盖到一个与接入控制器连接的光学探测器。所述适配器具有的光学探测器至少在一个白光LED照明光源光学信号的覆盖范围内。
[0019]在下行链路中，接入控制器通过外部网络接收远端用户的指令，并根据指令产控制信号。控制信号编码后经由USB-RS485转换模块得到RS-485信号，再通过调制电路将信号加载到照明光源上实现可见光广播。在接收解调端，由适配器光电探测器实现光电信号转换，光电信号经过信号的放大、滤波、整形、解调再生还原为信号，该信号可以直接被单片机读取，还原成控制信号，完成对各种电器的控制。而在上行链路中，当设备有数据要发送时，其数据经过连接的适配器处理，按照一定规则，在某一时间通过适配器的光源发射出去。受限于功耗及人眼安全性问题，适配器的光源功率较小、方向性较强。设备的发射不能被设备和感知监听，只能被接入控制器连接的光学探测器接收到。接入控制器捕获到信号后，立即将数据通过其连接的白光照明光源转发，这时设备和收到该转发信号，于是知道上行信道被占用。接入控制器连接的照明光源和光学探测器有较大的覆盖范围，和接入控制器的接收转发机制保证了网内各接入用户设备的信道监听。
[0020]该发明的有益效果:
[0021]在半导体照明智能家居系统中，光接收机是一个不可或缺并会大量使用的模块。现有的探测器以及放大电路足以构成简单的光接收机并支撑智能家居系统的运行，但由于多个模块组装的体积较大，且稳定性较差，会导致安装时的不便以及信号传输时的高误码率，导致系统的稳定性大大降低。本发明的光接收装置釆用了0.1SymCMOS工艺，将光探测器、跨阻放大器、主放大器集成于一片芯片;并且为了适应不同高度的用电器可能接收到的不同强度的光，将跨阻放大器设计为拥有6种不同跨阻的可变增益放大器。针对智能家居系统特殊的要求，电路设计中在整个光接收机的输出端大胆的采用了反相器输出，大大降低了放大电路需要放大的倍数，