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

背景技術(shù)：

可見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、能對抗電磁干擾等諸多優(yōu)點，因此有多重優(yōu)勢的LED燈開始走進(jìn)千家萬戶，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用?？梢姽馔ㄐ攀抢肔ED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白光無線通信在礦井下的應(yīng)用則更是一個全新的領(lǐng)域。

煤礦作為一個特殊的行業(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疑增加了工作量，而且井下巷道縱橫交錯，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)有的無線通信主要是通過無線射頻技術(shù)實現(xiàn)無線通信的，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，而對于可見光通信則不存在電磁干擾。

可見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，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，無自然光的干擾，它將載波頻率上調(diào)到無線電波中的可見光頻段，能非常好的解決無線射頻通信頻譜資源問題，又避免了無線電磁波的傳播給煤礦井下環(huán)境帶來的安全隱患，具有照明和通信雙重功能，能量利用率大大提高，在實現(xiàn)正常照明功能的同時以光波為載體傳輸信息滿足通信需求。VLC繞開了輻射和干擾，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)實現(xiàn)要素：

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

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

1、該通信系統(tǒng)由MIC采集語音模塊、信號預(yù)處理模塊、單片機(jī)信號處理模塊、可見光發(fā)送電路、礦井下光無線信道和可見光接收電路構(gòu)成；所述的信號預(yù)處理模塊包括前置放大和音頻濾波；所述的單片機(jī)信號處理模塊包括AD采樣和串口發(fā)送；所述的可見光發(fā)送電路包括LED調(diào)制驅(qū)動電路和LED光源；所述的可見光接收電路包括PIN 光電檢測電路、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)計電路。

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

4、所述的LED光源采用反光杯。

5、所述的可見光接收電路采用SFH5440作為光電檢測傳感器，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。

附圖說明：

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

圖1是礦井下可見光音頻系統(tǒng)的基本模型；

圖2是礦井下可見光音頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；

圖3是前置放大電路；

圖4是PIN光電檢測電路；

圖5是低通濾波器電路；

圖6是功率放大電路；

具體實施方式：

本發(fā)明的主旨是提出一種基于可見光的礦下語音通信系統(tǒng)，在照明的同時實現(xiàn)語音通信，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，無線網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量較差的特點。

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

一、礦井下可見光音頻系統(tǒng)的基本模型

礦井下基于可見光傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)是一種應(yīng)用可見光通信技術(shù)傳語音的通信系統(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礦燈作為移動節(jié)點，從而形成該礦下通信系統(tǒng)的無線通信鏈路。本章針對礦井下可見光音頻通信系統(tǒng)的整體設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)進(jìn)行研究，圖1為礦井下可見光音頻系統(tǒng)的基本模型。

二、礦井下可見光音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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

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)計采用了5V單電源供電，第一級運(yùn)放設(shè)計為跟隨器，在一定程度可以避免由于輸出阻抗較高，而下一級輸出阻抗較小時產(chǎn)生的信號損耗，起到承上啟下的緩沖作用；第二級運(yùn)放產(chǎn)生20倍的放大效果，將輸入信號放大，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)計引入了反光杯的使用。當(dāng)光源與接收點之間的距離大于5倍的光源尺寸時，可以把LED光源近似為點光源。用點光源燈泡為光源，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，而溫度的升高又會使得光源效率變低、光波長發(fā)生偏移等，為此在反光杯的后座添加了散熱快的設(shè)計。反光杯的反射曲面實際上是改變光原來的傳播方向，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。對不同的光源，反光杯的曲線弧度也是不同的，因為不同的光源發(fā)出的光能在空間的分布是不同的，不能用同一個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光強(qiáng)或者照度來表示的，可以通過專用的儀器設(shè)備去測定，通過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。反射曲線需要通過復(fù)雜的計算來控制光線在不同位置的反射方向。

五、PIN光電檢測電路

本發(fā)明采用SFH5440作為光電檢測傳感器，它是用于接收可見光線脈沖信號并轉(zhuǎn)化成數(shù)字邏輯信號的檢測器，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。接收到的信號與發(fā)送端發(fā)送的信號是反相的關(guān)系，其中的74LS04反相器正是為了解決這一問題而設(shè)計的。

六、低通濾波電路

多級電路的組合往往會帶來更多的噪聲，因此，在驅(qū)動喇叭發(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，通過軟件編程設(shè)置參數(shù)優(yōu)化聲音信號，最后驅(qū)動喇叭發(fā)聲。其電路如圖6所示。430單片機(jī)與AIC3100通過I²C接口通信，從而控制AIC3100的寄存器。主設(shè)備用于發(fā)送時鐘并啟動數(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)送起始信號后，立即發(fā)送尋址字節(jié)，這時，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、寫位確定是被控器或接收器。初始化配置時要先初始化PLL，配置好采樣頻率，初始化接口協(xié)議，430通過I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC3100，配置完成后AIC3100開始工作。

五、實例分析

為了保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，本發(fā)明先測試了直接傳輸基帶信號的可見光系統(tǒng)的信道性能，即未加調(diào)制，信道編碼等。測試時直接將誤碼分析儀的輸出信號加到電光轉(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的輸出端直接通過同軸電纜短接到輸入端。測試時LED采用Cree-Q5，LED功率2.2W，誤碼分析儀的輸出碼率100kHz，碼型NRZ，測試時間90s，測試結(jié)果是當(dāng)系統(tǒng)直接傳輸基帶信號，不進(jìn)行調(diào)制和信道編碼時，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，能夠提高系統(tǒng)的通信距離。經(jīng)過測試的探究可知，在無人為干擾的可見光通信信道中，直接傳輸基帶信號時，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)。