基于STM32的激光通信系統設計

0 引言

激光通信在衛星通信，水下通信，無人機通信等領域都有廣泛應用。激光通信作為一種光通信方式，與無線電通信相比，具有保密性強，通信容量大，重量輕，功耗和體積小，成本低等特點^[1]。激光通信由于其系統較為復雜的原因，在民用領域還不夠普及。

紅外通信是一種光通信方式，廣泛應用于民用領域，但其傳輸距離通常較短，文獻[2] 設計了一種數字模擬混合紅外通信系統，其通信距離僅有1.2M，實用型較差。文獻[3]設計了一種近場無線激光通信系統，但其系統組成復雜，生產成本較高，不適合民用領域量產。文獻[4]設計了基于脈沖撥號的抗抖動激光通信系統，但其發送時間過長，通信速率較低。

為解決上述問題，本文設計了一種基于STM32 的激光通信系統，該系統由激光發射模塊、激光接收模塊和F407 主控模塊組成，采用雙音多頻調制方式進行信號調制。系統可以通過上位機經由串口進行控制，實現數據的收發，為低成本民用激光通信提供了解決方案。

1 激光通信系統總體設計

激光通信系統共分為軟件層和硬件層，軟件層由C語言編寫，微控制器為軟件層的運行載體，硬件層總體設計如圖1 所示。

圖1 激光通信系統硬件結構圖

硬件層由激光發射模塊、激光接收模塊和主控模塊組成。激光發射模塊包括激光二極管（LD）、激光準直系統和高精度LD 驅動電流源，激光接收模塊包括光電二極管（PD）和激光接收前端電路。激光發射模塊和激光接收模塊分別通過D/A 通道和A/D 通道與單片機相連接。激光通信系統和上位機通過串口相連接，通過串口AT 指令對激光通信系統進行控制和數據的收發。

激光通信系統A、B 兩個終端在進行通信時，只需將A 和B 終端的傳光通路聯通即可，可通過光纖進行聯通，也可直接在空間中進行傳輸。

2 激光通信系統系統硬件設計

激光通信系統的硬件部分包括主控及其外圍電路，電源模塊，激光發射電路和激光接收前端電路。

2.1 主控及其外圍電路設計

激光通信系統主控采用意法半導體公司的STM32F407VET6處理器，該微控制器具有豐富的模擬外設和高性能的Cortex-M4 內核，同時具有FPU 單元，有效提升浮點運算速度，為快速傅里葉變換提供了性能支持。主控采用RC 復位電路，預留SWD 接口進行調試。主控與上位機通過串口進行數據傳輸，由于PC 機無TTL 串口，通過CH340 芯片進行USB 和TTL 串口的轉換。主控及其外圍電路如圖2所示。

圖2 主控及其外圍電路設計

2.2 電源模塊設計

系統需要3.3 V、5 V 雙電源和1.235 V 三種規格的電源，其中，5 V 雙電源用于模擬部分的供電，包括激光發射模塊和激光接收模塊。3.3 V 電源用于數字電路的供電。1.235 V 電源為LD 驅動高精度電流源提供電壓基準。系統的電源樹有三個分支：系統總電源通過USB 5 V電源輸入，分別接入TPS65133 雙5 V 電源，MT2492斬波降壓3.3 V 電源，LM385 高精度1.235 V電壓基準。

MT2492是西安航天民芯的一款斬波降壓控制器芯片，具有最高96% 的效率。電源模塊原理圖如圖3 所示，輸出電壓滿足公式輸出電壓需設定為3.3V，故將電阻配置為：R_HS=67.5 kΩ, R_LS=15 kΩ。

圖3 MT2492電源

LM385 為凌特公司的高精度電壓基準芯片，輸出電壓為1.235 V，具有1% 的電壓精度，低達60 μV（RMS）的噪聲。根據芯片數據手冊中對其工作電流的要求，配置限流電阻R₀=2 kΩ。

2.3 激光發射電路設計

激光發射電路由LD 驅動高精度電流源和激光二極管組成，該電流源為激光二極管提供了穩定的靜態工作電流。由于激光二極管的發光強度和電流近似為正比關系，所以對電流進行調制即可實現激光二極管發光強度的調制。其原理圖如圖4 所示。

圖4 LD驅動高精度電流源

該電流源的主要器件為調整管Q₁，電流采樣電阻R₂和運算放大器U1.1。調整管Q₁工作在恒流區，可等效為1 個壓控電流源，用于調整激光二極管上通過的電流。電阻R₂對流過激光二極管的電流進行采樣，將其轉換成電壓信號。運算放大器U1.1 用于建立負反饋環路，實現電流的負反饋。根據運算放大器的虛短虛斷關系，最終流過LD 的電流可通過下式計算：I_LD=V_IN+/R₂。電壓基準芯片 U4 提供 1.235 V 的參考電壓，R6和R4對基準電壓進行分壓，接入運算放大器的同相輸入端，通過調整R4的值即可調整I_LD ，從而調整激光二極管的靜態工作點。

運算放大器U1.2 連接成電壓跟隨器，單片機ADC信號通過電壓跟隨器后，經過耦合電容疊加在節點電壓V_IN+上，實現流過激光二極管電流I_LD 的調制，從而實現激光二極管發光強度的調制。

2.4 激光接收電路設計

激光接收電路由I/V 轉換電路，前置可變增益放大電路，ADC 前端抗混疊濾波器組成，其原理圖如圖5所示。

圖5 激光接收電路

I/V 轉換電路將PD 輸出的電流信號轉換為電壓信號，方便后續進行處理，其跨阻由電阻R6 的阻值決定。由于光電二極管存在結電容，其高頻特性會受到影響，在使用時需加偏壓，減小結電容的影響。本電路中的偏壓通過穩壓管D1 實現，D1 的穩壓值即為光電二極管上所加偏壓。

完成光電二極管的I/V 轉換后，將得到的電壓送入前置可調增益放大器，對電壓進行二次放大，該級的增益可通過電位器R8 進行調節。放大后的信號通過抗混疊濾波器送入單片機ADC 引腳進行采集。

為防止信號在ADC 采集過程中發生頻譜混疊，需對輸入信號進行濾波。二階低通抗混疊濾波器元器件參數通過TI Filter Design Tool 進行設計，其截止頻率為1 MHz。

3 激光通信系統系統軟件設計

激光通信系統的軟件部分包括初始化程序，上位機通信程序，數據調制發送程序， A/D 轉換信號解調程序。

初始化程序對單片機系統時鐘樹及各個外設進行初始化，包括串口的初始化，ADC 的初始化，DAC 的初始化，DMA 的初始化，定時器的初始化等。

3.1 上位機通信程序設計

上位機通信程序用于實現上位機和單片機之間的通信。上位機對系統的控制主要通過串口AT 指令實現，串口的通信協議設計如表1。

表1 串口AT指令協議設計

開啟傳輸后，激光通信系統進入串口透傳模式，通過串口直接發送數據。

串口AT 指令的執行通過有限狀態機結構實現，程序運行分為有限個狀態，AT 指令作為狀態轉換條件觸發不同狀態之間的轉換。

當程序開啟傳輸后，將串口接收到的上位機數據傳輸至數據緩沖區，同時在數據結構體中將標志位置1，在數據調制發送程序中進行處理和發送。同時，以程序查詢的方式檢測接收數據緩沖區是否更新，如果更新，將接收到的數據直接通過串口發送至上位機。

3.2 數據調制發送程序設計

數據調制發送程序主要由調制和發送兩部分組成。調制程序通過雙音多頻調制方法將串口傳輸到緩沖區的數據進行處理，產生調制波。發送程序在產生完1 個字節數據的調制波后通過DAC 輸出，疊加到激光發射電路上的調制端，對發射的激光強度進行調制。

多音雙頻調制信號由高群和低群組成，高低群各包含4 個頻率。1 個高頻信號和1 個低頻信號疊加組成1個組合信號，共16 種組合，表示四位二進制數據。在高群和低群中各加入1 個單頻信號作為起始信號和結束信號。傳輸時將1 個字節數據分為高半字和低半字，先后進行傳輸。各群頻率分配和幀格式如圖6 所示。

圖6 雙音多頻采用的頻率組合及通信幀結構

每字節信號開始傳輸后，會產生1 個起始單頻信號，然后先后產生兩個包含半字節數據的多頻信號，最后產生1 個終止單頻信號，該字節數據傳輸完成。傳輸的時序由定時器控制，定時器每產生1 次中斷為1 個單位時間，起始信號，半字節數據信號，終止信號各占1 個單位時間，傳輸1 字節數據共用4 個單位時間。

3.3 A/D轉換信號解調程序設計

A/D 轉換信號解調程序主要由A/D 轉換程序和信號解調程序組成。A/D 轉換程序將前端信號通過ADC 進行采集，生成離散序列。信號解調程序將采集到的時間序列進行處理，還原出數據。

A/D 轉換程序由定時器進行驅動，將ADC 設置為定時器觸發，將定時器周期設置為0.5 μs，實現ADC固定采樣頻率采樣，待轉換完成后，會產生事件觸發DMA 傳輸，讀出采集到的電壓序列到數據緩沖區中。

解調程序將采集到的電壓序列分塊后，使用ST 官方DSP 庫進行快速傅里葉變換（FFT），得到當前數據塊中的頻譜序列，檢測到起始信號后，按照時序將緩沖區的時間序列分塊進行FFT 運算。對得到的頻譜序列進行檢測，得到雙頻信號的頻率，按照圖6 轉換成數據，檢測到結束信號后，將數據送入串口發送數據緩沖區中，上位機通信程序啟動串口將數據傳輸到上位機，實現數據的解調和上傳。

4 激光通信系統測試

為測試激光通信系統的有效性和實用性，在實驗室環境下搭建激光通信系統實驗裝置并進行通信測試。在距離激光通信系統25 m 處使用平面鏡將激光束反射回系統的接收端，對激光通信系統進行環回通信測試。搭建的激光通信系統實驗平臺如圖7 所示。

圖7 激光通信系統實驗裝置

在調整好激光二極管靜態電流和前置放大器增益后，進行數據傳輸測試，發送數據內容為7 個字符，共56 個bit，發送間隔為30 ms，波特率為1 866 bit/s。數據傳輸結果如圖8 所示。

經測試，該系統通信距離可達50 m，通信波特率可達1 800 bit/s 以上，具有較強的通信穩定性。

圖8 環回通信實驗結果

5 結束語

為解決現有的民用光通信系統制造成本高，通信距離短，通信速率慢的問題，設計了基于STM32 的激光通信系統，該激光通信系統采用雙音多頻調制方式，通過上位機串口控制實現數據的收發。實驗結果表明，該系統具有較長的通信距離，較高的通信速率，為低成本民用激光通信提供了解決方案，在民用激光通信領域的應用前景廣闊。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）