实验题目：“会发光”的通信系统

1. 课程简要信息

课程名称：基础电路提升与应用综合实验
课程学时：32学时
适用专业：通信、电子信息、光通信、电子科学与技术等专业
学生年级：大三上学期

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1）以51单片机原理为基础，设计一个能够在日光背景下、通过LED 白光为传输介质的通信系统；
2）对基于 51 单片机设计的 LED 可见光通信系统，利用小功率 LED、单只低灵敏度光电转换器件作为发、收器件，在降低功耗的情况下传输数据，并显示，请自行设计原理图以及程序；（例如：从发送端发送一个字符或字符串，通过 LED 光作为信道传输，在接收端能够显示出发送的正确数据）
3）提高传输数据的可靠性和稳定性，在功耗和传输功率之间进行折中优化，尽量增大传输距离和传输速率，要求传输距离大于 $3 0 \mathrm { c m }$ ；
4）提高光通信传输的抗外界干扰能力，当在白天室内光条件下，装置依然能够正常工作；
5）设计由易到难，首先实现各模块的正常工作，提升传输距离和传输速率，实现效果可从传输字符优化至传输音频。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）学习不同种类 LED 的发光原理及分析光源特性；
2）查阅资料，选择满足实验要求的发光二极管、光电探测器，测试发光二极管照度、光强，选择探测器的类型、测量精度、输出信号形式和输出波形等关键的特征参数；
3）设计白光 LED 的发送和接收电路，主要研究白光 LED 的高速调制和恒流源驱动电路设计以及可见光接收端电路的设计方案；
4）测试LED 实际功率、传输距离、传输速率，以及输出波形，调节系统中的误差，优化实验效果；
5） 在编写程序的过程中，学会关于单片机对于数据的定义以及调制的方式；
6） 整合小组，互相讨论学习，利用创新思维提出新应用；
7） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

随着时代的发展，科学技术的进步，移动通信用户的不断增加，现有的无线通信技术出现频谱资源紧张的问题。LED可见光无线通信技术以其安全、抗电磁干扰能力强、不受无线电频谱限制、通信容量大和传输速率高等优势成为通信领域的研究热点，具有极大的发展前景。本实验基于单片机的可见光单工通信系统原理，采用直射视距链路，强度调制/直接检测（IM/DD）技术，以 LED 作为光源，将需要传输的数据加载到光载波信号上，以可见光为传输介质来实现数据传输。本实验使用光电二极管接收光信号，实现了简单的LED 可见光数据传输。基本效果可以做到室内短距离字符、汉子以及音频的传输。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

通过前期基础实验课程的学习与练习，已经掌握了电路分析、模拟电路、数字逻辑电路、高频电子线路等电路分析调试及设计方法，进一步加强实验方法的思维理念。在本实验项目中，引导学生将理论与实践相结合，引导学生进一步理解通信原理，单片机原理，以及传感器原理，培养学生将理论应用到实践中去，提升学生系统设计及实验方法思维的多样性。根据实验目标和工程需求进行器件选型、设计电路和系统优化，而后，引导学生搭建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目进行技术评价，完成从设计、测试到结果分析的完整的创新素质培养过程。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践项目，需要学习资料查阅、方案论证、系统设计、实现调试、测试分析、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）了解光通信的基本原理和相关知识，学习单片机实现调制的基本方法（即 OOK调制）；
2）在设计电路的过程中，选择合适的元器件，学习器件工作原理和比较各器件性能；
3）不同光电传感器的灵敏度不同，输出信号的幅度、驱动能力、有效范围等都存在很大的差异，后续的信号调制、驱动电路、放大电路也要根据信号的特征来设计；
4） 在电路设计、搭试、调试完成后，需用标准仪器设备进行实际测量，演示所传输的结果效果和波形；
5）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1） 系统结构

2）实现方案

本实验所设计的系统由发射端和接收端组成，如系统框图所示。发射端单片机将数据调制并加载在 LED 光源上，通过可见光传输数据。在接收端，光电接收模块将接收的光信号转换成电信号；该信号经过功率放大缓冲后通过 RXD 引脚输入到 STC89C52进行判读，判读出的数据通过 LED 数码管显示。本文所设计的系统采用光强度调制/直接检测（IM/DD）技术，进行可见光的发射和接收，实现单片机之间的可见光数据通信。

（1）硬件方面：

采用STC89C52，8位MCU作为光源控制芯片，该芯片具有操作简单、价格低廉、成本低、易控制抗干扰能力强、高速和低功耗等优势。

白光 LED 以其使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大、亮度高、散热小、功耗低和辐射范围广等优点在照明和可见光通信领域占有重要作用。

采用 $5 \mathrm { m m }$ 圆头 LED 发光二极管作为光源，参考电压为 3~3.8V，参考电流为$5 { \sim } 2 0 \mathrm { m A }$ 。

用PIN光电二极管接收可见光数据，将光信号转换成电信号。PIN光电二极管具有光电转换线性度好、工作电压较低、响应速度快和价格较低等工业优势，因此在本系统中选用PIN光电二极管作为光电接收模块是可行的。

在数据缓冲设计中，我们选用 LM324 芯片作为控制芯片，因为芯片内部具有频率补偿运算放大器，且工作电压为 $3 { \sim } 3 2 \mathrm { V }$ 。由LM324 构成的电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻抗低等特点，在电路中起到了阻抗匹配的作用，减少信号在前级输出电阻中的损耗。

在接收通路设计过程中，通过使用光学滤光片滤除杂散光，透镜对发射光进行聚焦以及减小视角或者增加透镜折射率来扩大光敏元件接收范围，可有效削弱光噪声，提高通信质量。

同时需要设计以下两个重要电路部分：

1）设计并实现一个大功率（1W）的与LED光源阻抗匹配的恒流驱动电路。

采用专门为可见光通信设计的恒流源驱动电路。通过晶体管和分立元器件设计完成，使LED发光处于稳定工作状态，不但有利于信号的光调制，并且可保证系统的可靠性传输。

从恒流源电路设计，加强模拟电路最难理解知识点。

2）设计并实现一个小信号、低噪声的前置放大电路。

由于所处理的信号是经过空间路径衰减的光信号，在接收端得到的信号很小很微弱，针对该小信号设计合适的放大电路，将有效的改善电路性能。

信号放大中，通过最难处理小信号电路设计与应用，加强工程训练。

（2）软件方面：

包括发射端控制软件和接收端控制软件。发射端控制软件主要实现按键扫描、数码管显示和发送232格式的数据。接收端控制软件主要用来实现判读数据和控制数码管显示接收的数据。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

任务安排：2学时预习自学：2学时现场教学：4学时分组讨论：4学时现场操作：12学时结果验收：2 学时总结演讲：4学时报告批改：2学时

教学设计思路：通过本次提升实验，培养学生具有系统设计思维，进一步掌握基础电路实验及实验方法，教师布置好任务，关键技术和注意事项讲解透彻，引导学生组队按要求设计，装配系统，用系统的实验方法进行电路设计。学生首先理解可见光通信机理，根据要求设计电路，运用实验方法进行电路分析调试，及科学分析实验结果，得到结论。在基础电路相关实验的基础上，综合运用电路分析、模拟电路、数字逻辑电路、单片机等实验相关知识，从系统设计的角度开展相关实验工作，并结合实验方法论进行设计，调试，验证，分析，以达到基础电路提升与应用的目的。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析。应明确实验任务，对实验任务需求进行分析，确定重点及难点问题，根据设计任务、指标要求和给定的条件，分析所要设计电路应完成的功能，并将总体功能分解成若干单元，分清主次和相互关系，形成总体方案；

2）实现方案论证。可以多列出几个方案，对不同方案需要通过实际的调查研究、查阅有关的资料和集体讨论等方式，着重从方案能否满足要求、结构是否简单、实现是否经济，满足绿色环保等方面，对方案进行比较和论证，择优选取。对选用的方案，用框图表示出来，注意图中每个方框尽可能是完成某一功能的单元电路，尤其是关键的功能模块的作用。

3）理论推导计算。对实验所涉及的 LED 额定工作电压、功率、电流进行计算并设计驱动电路，尽可能增大 LED 光强，根据光电二极管检测灵敏度和光强优化传输距离。

4）电路设计与参数选择。报告中应体现自上而下的设计理念，把总体方案分解成若干个单元电路，报告中应明确每个单元电路的技术指标，要分析单元电路的工作原理，合理选用元器件设计出个单元的电路结构形式。

5）系统调试与测试。把各个单元电路的测试方法与测试数据写在实验报告中。系统安装完毕后应测量整个系统的性能指标，把数据记录在表格中。

6）数据处理分析。对实验数据进行分析处理，通过数据分析体现设计思想与解决问题的能力。

7）实验结果总结。总结本实验所采用何种关键技术、实验方法，效果如何，还存在哪些问题，实验有何收获。

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如接收数据的可靠性和稳定性）。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算
与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

本项目面向通信的研究热点-可见光通信，具有较强的前瞻性、工程性且实现方法多样，学生可自由发挥，能够全面考查学生综合运用所学知识的能力，培养学生创新思维。结合专业基础电路实验，做到基础实验与专业衔接，搭建了有趣的、具有一定复杂性的创新实验，同时尽管项目设计通信技术，但仅利用了简单的调制和解调方法，主要强调电子系统的设计、制作与调试能力，可以推广到其他电子技术相关专业。

实验案例信息表