本發(fā)明屬于可見(jiàn)光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于可見(jiàn)光的礦下語(yǔ)音通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

可見(jiàn)光通信的興起主要基于固態(tài)照明器件LED的迅猛發(fā)展。白光LED照明技術(shù)日趨成熟，它具有節(jié)能環(huán)保、發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、能對(duì)抗電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此有多重優(yōu)勢(shì)的LED燈開(kāi)始走進(jìn)千家萬(wàn)戶，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。可見(jiàn)光通信是利用LED器件的高速頻率響應(yīng)特性將其功能擴(kuò)展到通信領(lǐng)域。而LED白光無(wú)線通信在礦井下的應(yīng)用則更是一個(gè)全新的領(lǐng)域。

煤礦作為一個(gè)特殊的行業(yè)，生產(chǎn)工作主要在井下，其環(huán)境復(fù)雜惡劣且多變，目前用于礦下的通信網(wǎng)絡(luò)主要有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、有線通信網(wǎng)絡(luò)和二者混合使用的通信網(wǎng)絡(luò)。就有線通信網(wǎng)絡(luò)而言，鋪設(shè)通信電纜或者光纖無(wú)疑增加了工作量，而且井下巷道縱橫交錯(cuò)，線路敷設(shè)復(fù)雜又易受到損傷和破壞，因此該通信方式在礦井下的應(yīng)用受到很大的局限性。現(xiàn)有的無(wú)線通信主要是通過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的，而電磁波的傳輸極易受到特殊環(huán)境的干擾，傳輸距離和通信質(zhì)量將大大下降，而對(duì)于可見(jiàn)光通信則不存在電磁干擾。

可見(jiàn)光通信在礦井下通信環(huán)境中的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)，煤礦工作面VLC能夠克服井下復(fù)雜的通信環(huán)境和不斷變化的通信空間，無(wú)自然光的干擾，它將載波頻率上調(diào)到無(wú)線電波中的可見(jiàn)光頻段，能非常好的解決無(wú)線射頻通信頻譜資源問(wèn)題，又避免了無(wú)線電磁波的傳播給煤礦井下環(huán)境帶來(lái)的安全隱患，具有照明和通信雙重功能，能量利用率大大提高，在實(shí)現(xiàn)正常照明功能的同時(shí)以光波為載體傳輸信息滿足通信需求。VLC繞開(kāi)了輻射和干擾，成為了多種安全性要求較高的封閉空間通信的寵兒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)井下現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)存在有線網(wǎng)絡(luò)易損壞，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較差的特點(diǎn)，提出將可見(jiàn)光通信系統(tǒng)應(yīng)用到煤礦工作面，開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于礦井下基于可見(jiàn)光傳輸?shù)恼Z(yǔ)音通信系統(tǒng)。

為了達(dá)到以上效果，本發(fā)明一種基于可見(jiàn)光的礦下語(yǔ)音通信系統(tǒng)，技術(shù)方案是：

1、該通信系統(tǒng)由MIC采集語(yǔ)音模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、單片機(jī)信號(hào)處理模塊、可見(jiàn)光發(fā)送電路、礦井下光無(wú)線信道和可見(jiàn)光接收電路構(gòu)成；所述的信號(hào)預(yù)處理模塊包括前置放大和音頻濾波；所述的單片機(jī)信號(hào)處理模塊包括AD采樣和串口發(fā)送；所述的可見(jiàn)光發(fā)送電路包括LED調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路和LED光源；所述的可見(jiàn)光接收電路包括PIN 光電檢測(cè)電路、串口接收、D/A轉(zhuǎn)換、低通濾波電路、音頻功率放大電路。

2、所述的信號(hào)預(yù)處理模塊包括基本的前置放大電路和300～3400Hz的8階音頻濾波電路，采用了TI公司的RC4580芯片設(shè)計(jì)電路。

3、所述的單片機(jī)信號(hào)處理模塊采用MSP430，預(yù)處理過(guò)的信號(hào)由MSP430內(nèi)置的A/D模塊采樣后通過(guò)串口發(fā)送。

4、所述的LED光源采用反光杯。

5、所述的可見(jiàn)光接收電路采用SFH5440作為光電檢測(cè)傳感器，采用低功耗、單通道、8-bit分辨率的緩沖型電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC5571，音頻功率放大電路采用TLV320AIC3100。

附圖說(shuō)明：

為了更清楚的說(shuō)明發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)附圖獲得其他的附圖。

圖1是礦井下可見(jiàn)光音頻系統(tǒng)的基本模型；

圖2是礦井下可見(jiàn)光音頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

圖3是前置放大電路；

圖4是PIN光電檢測(cè)電路；

圖5是低通濾波器電路；

圖6是功率放大電路；

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明的主旨是提出一種基于可見(jiàn)光的礦下語(yǔ)音通信系統(tǒng)，在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信，有效解決了井下現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)存在有線網(wǎng)絡(luò)易損壞，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較差的特點(diǎn)。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

一、礦井下可見(jiàn)光音頻系統(tǒng)的基本模型

礦井下基于可見(jiàn)光傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)是一種應(yīng)用可見(jiàn)光通信技術(shù)傳語(yǔ)音的通信系統(tǒng)。其利用已有的照明系統(tǒng)，以自由空間作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)在工作面中加設(shè)基于LED照明燈的通信中繼站，礦工佩戴具有收發(fā)信功能的LED礦燈作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，從而形成該礦下通信系統(tǒng)的無(wú)線通信鏈路。本章針對(duì)礦井下可見(jiàn)光音頻通信系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，圖1為礦井下可見(jiàn)光音頻系統(tǒng)的基本模型。

二、礦井下可見(jiàn)光音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

礦井下可見(jiàn)光音頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。MIC采集原始信號(hào)，經(jīng)過(guò)初始信號(hào)預(yù)處理模塊進(jìn)入430單片機(jī)中進(jìn)行信號(hào)再處理，通過(guò)串口通信接口后利用LED調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光，經(jīng)礦井下自由空間光信道傳輸，光承載信息到達(dá)接收端的光電檢測(cè)器，串口接收到該信號(hào)將其送DAC5571進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)低通濾波輸出到功放驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，恢復(fù)出原始信號(hào)。

三、前置放大電路

基于RC4580芯片的前置放大電路如圖3所示。RC4580內(nèi)部集成了雙運(yùn)放，具有非常寬的工作電壓：，0.8μVrms的低噪聲，高達(dá)12MHz的增益帶寬。本設(shè)計(jì)采用了5V單電源供電，第一級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為跟隨器，在一定程度可以避免由于輸出阻抗較高，而下一級(jí)輸出阻抗較小時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)損耗，起到承上啟下的緩沖作用；第二級(jí)運(yùn)放產(chǎn)生20倍的放大效果，將輸入信號(hào)放大，以便單片機(jī)后續(xù)的采集處理。

四、反光杯的引入

通常LED光源發(fā)光角度為120°左右，為了更有效的利用光能、提高系統(tǒng)效率，本設(shè)計(jì)引入了反光杯的使用。當(dāng)光源與接收點(diǎn)之間的距離大于5倍的光源尺寸時(shí)，可以把LED光源近似為點(diǎn)光源。用點(diǎn)光源燈泡為光源，需遠(yuǎn)距離聚光照明的反射器，通常杯型，俗稱反光杯。由于功率LED的散熱性能對(duì)其可靠性有很大的影響，它的輸出功率有80％轉(zhuǎn)化為了熱能，而溫度的升高又會(huì)使得光源效率變低、光波長(zhǎng)發(fā)生偏移等，為此在反光杯的后座添加了散熱快的設(shè)計(jì)。反光杯的反射曲面實(shí)際上是改變光原來(lái)的傳播方向，使光源發(fā)出的光線經(jīng)反射后能按需求的方向傳播，從而起到有效利用光能的作用。對(duì)不同的光源，反光杯的曲線弧度也是不同的，因?yàn)椴煌墓庠窗l(fā)出的光能在空間的分布是不同的，不能用同一個(gè)反光杯去套用不同的光源，光源的光能在空間的分布是通過(guò)光強(qiáng)或者照度來(lái)表示的，可以通過(guò)專用的儀器設(shè)備去測(cè)定，通過(guò)看光源的配光曲線可以大致了解光源光能在空間的分布狀況。反射曲線需要通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算來(lái)控制光線在不同位置的反射方向。

五、PIN光電檢測(cè)電路

本發(fā)明采用SFH5440作為光電檢測(cè)傳感器，它是用于接收可見(jiàn)光線脈沖信號(hào)并轉(zhuǎn)化成數(shù)字邏輯信號(hào)的檢測(cè)器，SFH5440的視角為120°，集成一體式施密特觸發(fā)器電路和邏輯輸出接口，具有高抗雜訊度。電路如圖4所示。接收到的信號(hào)與發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)是反相的關(guān)系，其中的74LS04反相器正是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

六、低通濾波電路

多級(jí)電路的組合往往會(huì)帶來(lái)更多的噪聲，因此，在驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲之前應(yīng)該再次濾波。電路如圖5所示。

七、基于TLV320AIC3100的功率放大器

TLV320AIC3100是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的聲卡芯片，由于其寄存器數(shù)量眾多且功能交叉，故本發(fā)明只將它作為功放，通過(guò)軟件編程設(shè)置參數(shù)優(yōu)化聲音信號(hào)，最后驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。其電路如圖6所示。430單片機(jī)與AIC3100通過(guò)I²C接口通信，從而控制AIC3100的寄存器。主設(shè)備用于發(fā)送時(shí)鐘并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，被主設(shè)備尋址的則為從設(shè)備，430單片機(jī)作為I2C的主設(shè)備，AIC3100作為從設(shè)備，從而完成對(duì)AIC3100的參數(shù)配置。采用I²C總線，尋址字節(jié)有8位，其中高七位為被控器件尋址位，最后一位規(guī)定數(shù)據(jù)的傳送方向，無(wú)論是傳送地址還是數(shù)據(jù)，都必須根據(jù)應(yīng)答位發(fā)送下一位內(nèi)容。本系統(tǒng)為半雙工方式通信，需采用寫(xiě)入/讀取的方式配AIC3100的芯片工作參數(shù)，故設(shè)置該位為0/1。主控器發(fā)送起始信號(hào)后，立即發(fā)送尋址字節(jié)，這時(shí)，總線上的所有器件都將尋址字節(jié)中的7位地址與自己器件地址相比較。若二者相同，則該器件被主控器尋址，并根據(jù)讀、寫(xiě)位確定是被控器或接收器。初始化配置時(shí)要先初始化PLL，配置好采樣頻率，初始化接口協(xié)議，430通過(guò)I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC3100，配置完成后AIC3100開(kāi)始工作。

五、實(shí)例分析

為了保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，本發(fā)明先測(cè)試了直接傳輸基帶信號(hào)的可見(jiàn)光系統(tǒng)的信道性能，即未加調(diào)制，信道編碼等。測(cè)試時(shí)直接將誤碼分析儀的輸出信號(hào)加到電光轉(zhuǎn)換模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊輸出端連接到誤碼分析儀的輸入端，誤碼分析儀CLK的輸出端直接通過(guò)同軸電纜短接到輸入端。測(cè)試時(shí)LED采用Cree-Q5，LED功率2.2W，誤碼分析儀的輸出碼率100kHz，碼型NRZ，測(cè)試時(shí)間90s，測(cè)試結(jié)果是當(dāng)系統(tǒng)直接傳輸基帶信號(hào)，不進(jìn)行調(diào)制和信道編碼時(shí)，系統(tǒng)傳輸距離為1米，當(dāng)在電光轉(zhuǎn)換模塊和光電轉(zhuǎn)換模塊上均加上“光學(xué)天線”——反光杯時(shí)，能夠提高系統(tǒng)的通信距離。經(jīng)過(guò)測(cè)試的探究可知，在無(wú)人為干擾的可見(jiàn)光通信信道中，直接傳輸基帶信號(hào)時(shí)，信道性能較好，可以不加調(diào)制和信道編碼。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。