三、硬件設(shè)計(jì)

核心處理電路用于為整個(gè)光通信系統(tǒng)提供硬件層支持，實(shí)現(xiàn)板載資源的基本控制和調(diào)度功能，該處理電路使用意法半導(dǎo)體的STM32F407VET6芯片作為核心，設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)電路，同時(shí)為片上外設(shè)設(shè)計(jì)外圍電路，實(shí)現(xiàn)其他必要功能，系統(tǒng)主控電路的整體設(shè)計(jì)框圖如下：

圖 3.1主控功能框圖

其中音頻接口用于解碼音頻數(shù)據(jù)然后播放聲音，這里使用IIS與音頻芯片進(jìn)行通信，在主控板上設(shè)計(jì)出IIS接口用于與音頻芯片進(jìn)行通信：

圖 3.2音頻接口

為了便于進(jìn)行測(cè)試信息傳輸功能，主控預(yù)留了SPI接口用于驅(qū)動(dòng)TFT，進(jìn)行UI顯示：

圖 3.3 LCD接口

核心電路板載了LED用于指示一些運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)集成了SDIO接口驅(qū)動(dòng)SD卡，用于存取部分?jǐn)?shù)據(jù)，便于實(shí)現(xiàn)軟件層一些第三方框架：

圖 3.4 SD卡接口

核心電路板設(shè)計(jì)了按鍵用于進(jìn)行人機(jī)交互，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)按鍵和一個(gè)撥盤電位器，2個(gè)按鍵一個(gè)用于確認(rèn)一個(gè)用于返回，撥盤電位器用于進(jìn)行左右選擇，具體按鍵電路原理圖設(shè)計(jì)如下：

圖 3.5按鍵電路

STM32芯片的UART2接口則用于連接光通信電路進(jìn)行通訊，控制核心電路包含一個(gè)單限比較器用于進(jìn)一步將APD輸出的信號(hào)進(jìn)行閾值處理，使輸入的信號(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，能夠被UART2識(shí)別到，具體的單限比較器電路如下，使用TI公司的TLV3501芯片作為運(yùn)放比較芯片，TLV3201是單通道比較器，該電平轉(zhuǎn)換快(40ns)且功耗低，支持軌對(duì)軌輸入，低偏置電壓只有1 mV，且具有大輸出驅(qū)動(dòng)電流等功能。?該芯片適合應(yīng)用在響應(yīng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)景中，具體的設(shè)計(jì)電路如下：

圖 3.6 TTL轉(zhuǎn)換電路

R1和RP1提供一個(gè)比較電壓與輸入電壓進(jìn)行比較，比較后的輸出只有0和3.3V兩個(gè)范圍，符合UART2的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。

核心控制電路最終的整體原理圖設(shè)計(jì)方案如下：

圖 3.7項(xiàng)目整體原理圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)完原理圖后，對(duì)主控進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，PCB設(shè)計(jì)三維圖如下：

圖 3.8主控PCB三維圖

設(shè)計(jì)完成后將PCB進(jìn)行加工制作，制作完P(guān)CB實(shí)物如下：

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圖 3.9主控PCB實(shí)物圖

發(fā)射轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)加載至光源上，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用的LD激光二極管作為發(fā)射光源，LD激光二極管另外一個(gè)名字叫做半導(dǎo)體激光二極管，因?yàn)槠錅?zhǔn)直性高，激光強(qiáng)度大，故可以直接作為可見光通信使用的光源，可以很好的傳遞光信息，一般LD工作電壓在4-6V，故需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路將TTL電平轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)D工作電壓范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)LD二極管發(fā)射激光，該驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)包括放大電路部分和偏置電路部分，目前的設(shè)計(jì)如下圖：

圖 3.10發(fā)射電路原理圖

設(shè)計(jì)電路的采用TI公司的OP690作為運(yùn)算放大器，該放大器的單位增益穩(wěn)定，運(yùn)放內(nèi)部采用電壓反饋，使用TI公司設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供轉(zhuǎn)換速率，支持單電源供電，具有150ma的驅(qū)動(dòng)電流以及150Mhz的帶寬，適合高速IV轉(zhuǎn)換電路。TTL信號(hào)輸入后，經(jīng)過R7和C10構(gòu)成濾波電路，濾除輸入信號(hào)的低頻噪聲，同時(shí)將輸入的交流高頻信號(hào)疊加到由R2和R3分壓獲得的參考直流電壓上，防止輸入信號(hào)失真。運(yùn)放電路中的R5與R8加RP2的比值確定了電壓的放大倍數(shù)，對(duì)輸入的交流信號(hào)進(jìn)行放大。

在輸入的TTL信號(hào)放大疊加后還需要經(jīng)過偏置電路調(diào)整輸出電壓范圍，使輸出電壓滿足激光二極管的工作范圍，驅(qū)動(dòng)LD正常運(yùn)行，完成將電信號(hào)轉(zhuǎn)換到光信號(hào)的過程，偏置電路如下：

圖 3.11偏置電路原理圖

偏置電路的設(shè)計(jì)原理是一個(gè)同相加法電路，通過調(diào)節(jié)RP1電

位器對(duì)加法電路的輸入電壓進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到調(diào)節(jié)最終輸出電壓的功能，此處使用的運(yùn)放芯片為OPA690，帶寬可達(dá)200M，可以滿足串行通信波特率為1M時(shí)的發(fā)射速率。

發(fā)射電路最終設(shè)計(jì)的原理圖如下：

圖 3.12整體發(fā)射電路原理圖

??? 設(shè)計(jì)完成原理圖后使用AD設(shè)計(jì)PCB，最終PCB模型如下：

圖 3.13發(fā)射電路PCB設(shè)計(jì)圖

最終制作出來(lái)的發(fā)射電路PCB實(shí)物如下：

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圖 3.14發(fā)射電路實(shí)物圖

接收電路的主要功能是完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，具體原理通過光電探測(cè)器件，將光信號(hào)通過APD雪崩二極管轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)然后進(jìn)行處理。本次可見光音頻通信系統(tǒng)采用APD雪崩二極管作為光電探測(cè)器件轉(zhuǎn)化光信號(hào)到電信號(hào)，當(dāng)在APD的PN節(jié)上加入足夠高的正常工作電壓時(shí)，在PN節(jié)耗盡層內(nèi)運(yùn)動(dòng)的載流子，會(huì)雪崩式的增加，獲得很高的平均電流增益，適合于檢測(cè)光強(qiáng)大小。一般情況下APD的正常工作電壓較高（約100V），普通直流電源電路無(wú)法獲得這么高的電壓，所以該接收電路需要使用特殊的高壓產(chǎn)生電路，因此本項(xiàng)目使用boost自舉電路獲得一個(gè)較高的工作電壓維持APD的工作。在APD將所檢測(cè)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)后，系統(tǒng)還需要將其轉(zhuǎn)換為核心主控電路可以識(shí)別的電壓信號(hào)，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)高速IV轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。本系統(tǒng)的電壓倍增電路采用開關(guān)電源boost電路，具體電路設(shè)計(jì)如下：

圖 3.15 TPS升壓電路

該電路使用TI公司的TPS55340芯片作為電壓IC，該芯片是一款內(nèi)置了40V、5A開關(guān)電源的電源穩(wěn)壓芯片，外圍電路配合自舉升壓二極管、自舉升壓電容等元件使電容的放電電壓和電源的電壓疊加，可以對(duì)輸出電壓進(jìn)行多級(jí)放大，使最終的輸出電壓可以達(dá)到70-160V這一范圍，以滿足APD的正常工作。芯片輸出端的L2，L3，C11，C12元件組成濾波電路，設(shè)計(jì)時(shí)放在輸出電壓后面，可以有效的減小紋波過大導(dǎo)致升壓時(shí)間常數(shù)過大，防止后級(jí)電路燒壞自舉二極管。

APD正常工作時(shí)，會(huì)將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為輸出電流，需要引入IV轉(zhuǎn)換電路，本項(xiàng)目中的 IV 轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的芯片OPA657，該運(yùn)放芯片具有低噪聲、高增益的特點(diǎn)，IV轉(zhuǎn)換電路原理圖如下：

圖 3.16 IV轉(zhuǎn)換電路

IV轉(zhuǎn)換電路采用電壓并聯(lián)負(fù)反饋的連接方式，將APD 產(chǎn)生的微小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，還原出電壓波形，電路中的C21補(bǔ)償電容用于移動(dòng)主極點(diǎn)到低頻段以消除自激，其中 R11為該轉(zhuǎn)換電路的核心電阻，整體電路的交流輸出電壓公式為：

????????=??????11

最終輸出的電信號(hào)經(jīng)C19進(jìn)行耦合后傳遞到下一級(jí)處理電路。電路設(shè)計(jì)的PCB原理圖如下：

圖 3.17接收電路原理圖

使用AD設(shè)計(jì)出來(lái)的PCB三維圖如下：

圖 3.18接收電路PCB模型圖

制作出來(lái)的接收電路PCB實(shí)物如下：

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圖 3.19 接收電路實(shí)物圖

整個(gè)發(fā)射、接受、主控電路需要提供電源，為了方便調(diào)試，電源板單獨(dú)分成一塊PCB，通過與其他開發(fā)板連接的銅柱進(jìn)行供電，電源板的電壓輸出分為12V、5V、3.3V以及GND，同時(shí)考慮到音頻芯片對(duì)電源的要求較高，所以將音頻芯片及其外圍電路的設(shè)計(jì)放到電源板上，設(shè)計(jì)如下：

電源總輸入接口通過一個(gè)磁吸接頭輸入一個(gè)12V的電壓，使用磁吸接頭可以便于快速接入電源，同時(shí)磁吸頭自身帶有一定阻抗，可以起到一定的模數(shù)隔離作用，磁吸接口設(shè)計(jì)電路如下：

圖 3.20 電源接口原理圖

磁吸接口輸入的12V電壓需要降壓到5V，以提供一個(gè)5V的電源電壓，因?yàn)?2V到5V的電壓壓差較大，所以使用DC-DC開關(guān)電源降壓電路，以獲取一個(gè)較大的電源轉(zhuǎn)化效率，DC-DC降壓電路采用TPS5430芯片，TPS5430是TI公司推出的一款典型的電源管理IC，其具有輸出紋波小、散熱性高等特點(diǎn)，適合為本課題的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，TPS5430降壓到5V電路原理圖如下：

圖 3.21 DC-DC降壓電路

在通過降壓獲取到5V的電壓后，電源電路還需要通過LDO將5V降壓到3.3V，以獲得3.3V的電壓源為一些功能IC供電，此處的LDO線性降壓電路使用AMS1117作為降壓芯片，降壓電路如下：

圖 3.22 LDO降壓電路

同時(shí)電源板集成了音頻播放電路用于連接音響后播放音頻，此處音頻芯片采用的是歐盛公司的WM8978，?WM8978是一款功耗低、播放質(zhì)量高的立體聲音頻編解碼芯片，專門為一些便攜式音頻場(chǎng)景的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如數(shù)碼相機(jī)、MP3、音響或數(shù)碼攝像機(jī)等。 該芯片集成了差分立體前置麥克風(fēng)放大器，輸出端包括揚(yáng)聲器、耳機(jī)以及立體聲輸出驅(qū)動(dòng)器，可以滿足絕大部分音頻播放需求；本項(xiàng)目的音頻電路設(shè)計(jì)原理圖如下：

圖 3.23音頻播放電路

音頻電路通過對(duì)外接口與主控的IIS接口連接，以實(shí)現(xiàn)音頻播放功能，整體電源電路的設(shè)計(jì)如圖：

圖 3.24電源電路整體設(shè)計(jì)圖

PCB三維模型圖如下：

圖 3.25電源電路PCB模型圖

制作出來(lái)的PCB實(shí)物如下：

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圖 3.26電源電路實(shí)物圖

四、軟件設(shè)計(jì)

核心電路使用的是意法半導(dǎo)體的STM32F407單片機(jī)，該單片機(jī)擁有豐富的硬件資源，為此引入RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)整體的資源進(jìn)行調(diào)度，本項(xiàng)目選擇使用華為公司的開鴻（OpenHarmony）操作系統(tǒng)，引入其LiteOS-M調(diào)度內(nèi)核到本項(xiàng)目中，OpenHarmony LiteOS-M內(nèi)核是華為公司面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的小型操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有小體積、低功耗、高性能的特點(diǎn)，該操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼簡(jiǎn)單，主要包括內(nèi)核基本功能、內(nèi)核抽象層（KAL）、可選組件，內(nèi)核可分為硬件有關(guān)層與無(wú)關(guān)層，內(nèi)核的硬件有關(guān)層提供統(tǒng)一的HAL（Hardware Abstraction Layer）接口，降低內(nèi)核代碼移植時(shí)的適配難度，同時(shí)不同編譯工具鏈和芯片架構(gòu)的組合分類，方便拓展軟件到不同硬件上。

本次課題的開發(fā)工具選用VSCode作為系統(tǒng)軟件開發(fā)IDE，使用開源的ARM-GCC編譯器進(jìn)行編譯，程序的下載調(diào)試則使用開源工具OpenOCD進(jìn)行下載調(diào)試。使用OpenHarmony作為軟件任務(wù)調(diào)度框架，發(fā)揮OpenHarmony互聯(lián)的特性，為光通信設(shè)備提供強(qiáng)力的軟件層支持，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展，為國(guó)產(chǎn)開源生態(tài)提供一份助力，項(xiàng)目整體任務(wù)調(diào)度框架如下：

圖 4.1系統(tǒng)任務(wù)框圖

整個(gè)RTOS系統(tǒng)軟件中設(shè)置了5個(gè)任務(wù)，分別為L(zhǎng)ED提示任務(wù)、LCD交互任務(wù)、串口測(cè)試任務(wù)、音頻播放任務(wù)以及ADC采集任務(wù)，各大任務(wù)功能如下：

LED提示任務(wù)：LED提示任務(wù)用于控制LED顯示當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果系統(tǒng)未正常運(yùn)行則LED燈劇烈閃爍。

LCD交互任務(wù)：LCD交互任務(wù)運(yùn)行時(shí)使用到SD卡、LCD顯示屏以及輸入按鍵資源，用于維護(hù)LVGL圖形框架，實(shí)現(xiàn)圖形界面的交互邏輯。

串口維護(hù)任務(wù)：串口測(cè)試任務(wù)使用到芯片的串口1資源，用于通過板載的USB轉(zhuǎn)TTL電路和上位機(jī)進(jìn)行通訊，方便過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)打印測(cè)試，觀察記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)串口任務(wù)也會(huì)通過串口2發(fā)送和接收音頻信息，通過可見光通信電路傳遞信息。

音頻播放任務(wù)：音頻播放任務(wù)用于播放串口二接收到的音頻信息，將信息通過IIS發(fā)送到音頻播放電路進(jìn)行音頻播放。

ADC采集任務(wù)：系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要采集一些電壓信息，所以單獨(dú)設(shè)置一個(gè)ADC任務(wù)用于采集系統(tǒng)電壓信息，內(nèi)部CPU溫度，以及更新?lián)艽a開關(guān)的鍵值。

軟件項(xiàng)目中需要使用到各種單片機(jī)外設(shè)資源，為了快速進(jìn)行開發(fā)，項(xiàng)目外設(shè)資源的配置使用意法半導(dǎo)體公司出品的代碼生成器軟件 STM32CubeMX，它的圖形化工具界面可以讓使用者可視化地選擇所需的芯片，按照用戶的需求設(shè)置芯片的任一個(gè)引腳和任意一個(gè)外設(shè)。除此之外STM32CubeMX軟件可以識(shí)別沖突的引腳，自動(dòng)配置選擇的STM32芯片時(shí)鐘樹，對(duì)芯片運(yùn)行時(shí)的功耗進(jìn)行預(yù)測(cè)以及判斷內(nèi)存使用情況等功能。項(xiàng)目中使用STM32CubeMX軟件可以很大程度的減輕工作量，加快開發(fā)速度。

STM32CubeMX生成的代碼使用的是 HAL（Hardware Abstraction Layer）庫(kù)，即硬件抽象層。HAL庫(kù)的本質(zhì)是內(nèi)核層與硬件層中間的關(guān)聯(lián)層，我們可以容易地在HAL中編程來(lái)操作內(nèi)核，硬件抽象層的易于移植性也讓在不同內(nèi)核下的編程不再?gòu)?fù)雜。本項(xiàng)目中使用STM32CubeMX生成MakeFile工程加入到OpenHarmony源碼中使用make工具進(jìn)行編譯，STM32CubeMX配置的工程如下：

圖 4.2 STM32CubeMX配置圖

為了方便進(jìn)行人機(jī)交互，項(xiàng)目移植了開源的LVGL圖形框架制作圖形界面，LittleVGL是一個(gè)開源的圖形開發(fā)框架，底層代碼由C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，LVGL可以實(shí)現(xiàn)與嵌入式硬件的最大的兼容性，同時(shí)借助NXP公司推出了LVGL模擬器，可以讓LVGL開發(fā)者在電腦上進(jìn)行嵌入式GUI設(shè)計(jì)。除此之外，LVGL作為一個(gè)開放完整的圖形庫(kù)，為開發(fā)者提供了多種便捷的小工具使用。這些強(qiáng)大的工具按鈕搭配上非常絲滑的動(dòng)畫以及平滑滾動(dòng)的圖形，可以為嵌入式硬件提供一個(gè)完美的視覺交互；更重要的是LVGL對(duì)硬件有著不高的配置要求并且開源免費(fèi)，這兩點(diǎn)顯著的優(yōu)勢(shì)使得LVGL一度成為最熱門的嵌入式GUI項(xiàng)目，成為廣大開發(fā)者在選擇GUI時(shí)的第一選擇。

因?yàn)槠浞N種優(yōu)勢(shì)，故本項(xiàng)目使用LVGL作為UI界面的框架支持，使用NXP開放的GUI-Guider圖形化界面配置工具完成界面設(shè)計(jì)，生成代碼后添加到調(diào)度內(nèi)核框架內(nèi)進(jìn)行編譯調(diào)用，實(shí)現(xiàn)UI界面的交互，項(xiàng)目使用GUI-Guider軟件工具設(shè)計(jì)界面如下：

圖 4.3 UI界面設(shè)計(jì)圖

最終移植到核心電路板效果如下：

圖 4.4 UI界面最終設(shè)計(jì)效果

五、系統(tǒng)測(cè)試

電源電路板是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，制作完成后首先對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，確定各個(gè)輸出電壓能否正常工作：

測(cè)試12V電壓輸出并查看紋波：

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圖 5.1 12V電壓波形

可以看到12V電源輸出正常，但由于直接使用的外部電源接入，紋波較大，但因?yàn)槊總€(gè)使用12V電源的IC都加了紋波抑制電路，故影響不大。下面測(cè)試電源板5V輸出和3.3V輸出：

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圖 5.2 3.3V電壓波形

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圖 5.3 5V電壓波形

5V輸出和3.3V電壓輸出正常，且因?yàn)槭褂肨PS芯片進(jìn)行降壓，紋波極小。

電源板供電正常后，對(duì)主控電路板進(jìn)行測(cè)試，編寫測(cè)試程序，分別測(cè)試SWD下載1、串口、TFT、LED、按鍵、ADC、SDIO、IIS、USB以及Flash等功能，編寫測(cè)試程序，將測(cè)試結(jié)果打印在串口上，測(cè)試結(jié)果如下：

圖 5.4外設(shè)測(cè)試串口打印圖

主控和電源測(cè)試完成后開始測(cè)試收發(fā)電路，由主控電路從串口連續(xù)發(fā)送一段TTL電平數(shù)據(jù)，經(jīng)過發(fā)射電路，加載到激光二極管上，激光二極管將輸入的電信號(hào)以激光的形式傳遞出去，另外一端的接收電路將光信號(hào)還原成電信號(hào)，再經(jīng)過比較器電路轉(zhuǎn)換為TTL電平，為了直觀看到測(cè)試效果，使用示波器測(cè)試整個(gè)鏈路中各個(gè)點(diǎn)的波形。

測(cè)試場(chǎng)景如下，將兩個(gè)測(cè)試設(shè)備對(duì)準(zhǔn)：

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圖 5.5對(duì)接測(cè)試環(huán)境

原始輸出的串口波形如下：

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圖 5.6設(shè)備1輸入的TTL波形

經(jīng)過發(fā)射電路后加載在激光二極管上的波形：

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圖 5.7設(shè)備1加載在LD上的電壓波形

接受電路IV轉(zhuǎn)換后的波形：

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圖 5.8設(shè)備2接收到的電壓波形

經(jīng)過比較器復(fù)原出的TTL波形：

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圖 5.9設(shè)備2經(jīng)過電壓比較后還原的波形

可以看到測(cè)試輸入的TTL和復(fù)原出的TTL電平基本一致，達(dá)到測(cè)試效果。

在TTL電平傳輸測(cè)試正常后就可以進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試，音頻數(shù)據(jù)的傳輸流程就是一個(gè)設(shè)備從SD卡中讀取WAV音頻信息，通過串口將音頻信息發(fā)送，另外一個(gè)設(shè)備接收到音頻信息后，將音頻信息通過IIS發(fā)送到音頻芯片中進(jìn)行播放，實(shí)現(xiàn)可見光音頻通信的功能，因?yàn)閳?chǎng)地限制，只測(cè)試了近距離音頻通信和5.3米距離音頻通信，音頻傳輸播放正常，測(cè)試場(chǎng)景如下：

圖 5.10音頻傳輸測(cè)試場(chǎng)景文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-840841.html