中文译文-采用双向发光二极管实现廉价传感和通信.doc

1、采用双向发光二极管实现廉价传感和通信作者：Paul Dietz,William Yerazunis,Darren Leigh摘要：一个创新的单片机接口电路可以通过只用一个LED来交替发射和接收光信号，两个数字I/O引脚和一个简单的限流电阻来实现。这种技术首次被应用于创造一个智能照明系统，该系统只用简单的LED来做光源和光传感。然后，我们做出几个只用LED作为通用无线数据串端口的设备。该原理的一个重要应用是每个连接到单片机的LED都可以被认为是一个无线双向通信端口。我们把这种技术看做是对“最后厘米问题”的解决方法，因为它允许不同设备之间通过最小的设计改动来简单，廉价地通信。1. 说明LED，也称

2、发光二极管，是最通用接口部件中的一种。它们不同的应用包括数码显示、闪光灯、液晶背光灯、煞车指示灯、交通信号灯和普遍的电源指示灯。由于LED被普遍用于光发射器，所以很容易忘记它们从根本上是光电二极管和光探测器这一点。虽然LED不能最好地用于光探测，它们仍是非常有效。在固态光发射和探测之间的可交替性在20世纪70年代被Forrest W. Mims广泛传播，但还是很大程度上被LED用户所遗忘。1.1 用LED探测环境光 最近，我们已经调查广泛用于消费者音像设备的远程红外遥控的提高方法。立即感兴趣的一块是用于许多远程遥控的按钮照明。为了打开背光，你必须按下按钮，在黑暗中，几乎是不可能找到该按钮。我们

3、下决心要改善这种情况。 我们的第一个解决方法是用一个电容接近式传感器（类似于在【4】中描述的）来打开远程遥控背光。不幸地，每次打开背光实质上都是在消耗电池寿命，不仅仅是因为用户经常连续地远程遥控，而且有时是在良好光照下操作的，这时背光是不需要的。虽然加上了个模式开关，这并不比起先的情况要好。 明显的步骤是增加一个光检测器，只当有需要时才 打开背光。硫化镉光电池不贵，但给电池增加一光学路径会增加成本和机械设计的难度。回想起LED的感光特性，我们决定研究用背景灯LED本身作为光探测器。为了这个目的，我们设计了一个简单的电路，相对于传统的LED驱动电路，该电路只需要一个额外的单片机I/O引脚，而不需

4、其他部件。 简单LED发射器/接收器的成功鼓舞我们考虑其他应用。例如，通过正向偏置（发射）和反向偏置(传感)之间的快速切换，可以创造出一个基于LED的常亮电源，但在实际上定期测量环境光照，利用这来自动调节LED的亮暗。图6所示的是我们的示例设备，用一个电容传感器来检测设备是否有操作，LED传感器/发射器来提供背光。1.2 LED通讯系统：双向LED通讯 环境光测量有许多应用，该技术的一项有趣应用是LED之间面对面地来回传输数据。我们称其为“LED通信”。我们已经研制出一个模型，该模型可以让LED在几厘米的距离内双向数据通信。一个LED通讯系统的可能应用是代替RFID系统（如【5】）进行支付授权

5、和存取控制。为了测试可行性，我们已经创造一个廉价、钥匙扣大小的设备，该设备被称为信息采集器，可以接收、存储个传输数据。不像RFID系统，信息采集器支持真正的对等通信，允许新功能，例如，设备之间数据的直接转移，而不需要特殊的读取装置。 这种基于LED数据通信的想法是有意义的。每个连接到单片机的LED可以认为是一个无线通信端口。相比其他短范围的无线技术，例如，红外【7】和蓝牙【8】，LED通信范围更短，传输数据的速率更慢。但LED通信可以节约成本，在很多情况下，甚至免费。这是因为LED通讯系统本质上是用已存在的硬件通过小改动而形成的一种软件接口技术。在用传统技术成本较高的情况下，LED通讯系统可以

6、代替其实现通信功能。在许多消费应用，电源灯现在可以成为一维修端口，用来读取服务信息或上传新固件。把两个手机的屏幕挨近，可以互相传输联系方式。对于汽车，标准，昂贵的服务连接器可以省略，所有数据可以通过“引擎检测”灯来传输。（汽车用户甚至可以用信息采集器来获取汽车故障记录，然后在服务预约前把它传输到服务中心，确保当汽车送入时，合适的工具和备用部件能立即应用。）这里有许多可能的应用。在下面正文中，我们描述了基本的LED双向单片机接口电路和它在智能背光的应用。然后我们对LED通讯系统、信息采集器和各种各样的应用进行充分描述。2. 双向LED接口小电流正向通过时，LED以相当窄的频率带发光。因为伏安特性

7、曲线呈指数形式，很难足够准确通过控制LED上的电压来获取所需的电流。必须想办法限流。如图1所示，在分离系统中，通常加上一个电阻。由于大多数单片机I/O引脚可以接收电流，在图1所示的配置是通用的单片机驱动LED。 图1 典型LED驱动示意图 LED是一种对在发光上下波段的光很敏感的光电二极管（不包括任何有色塑料包装的影响）。在反向偏压条件下，LED相当于一个电容和一电流源并联(见图2，【3】)。这种光电流就是我们想要测量的。一种基于LED的光电探测器的廉价做法是把阳极接地，阴极连接一个高电平驱动的CMOS I/O 引脚。图2 LED反向偏压用于光电探测 二极管反向偏压，电容充电。接着，转换I/O

8、引脚到输入模式，这时允许电容器放电低于数字输入阀值。通过测量花费的时间，我们得到光电流的测量方法和入射光的总数，如图3所示。图3 LED用作光电探测器 如图4所示，图1和图2的电路可以联合起来，创造出普通的LED双向单片机接口电路。这和图1的电路是一样的，除了电阻被两个I/O引脚间的LED代替。图5显示的是引脚如何驱动两个方式。图5a显示的是“发光”模式，这时电流正向流过，LED亮；图5b显示的是“反向偏压”模式，这时电容充电，准备测量系统。如图5c所示，实际的测量在“放电”模式中进行。由于流过CMOS引脚的电流非常小，低阻值的限流电阻对电压的影响非常小。像之前那样，我们只是简单测量电容放电低

9、于阀值所花费的时间。结论是可以用一个简单的电路来转换发射和接收光的模式。 由于电路，改动需要提供双向通信功能，只包括一个额外的I/O引脚和印刷电路板（在设计期内提供，不需要额外的硬件成本）我们称增加该硬件功能到设备本质上是免费的，当然，为了完成这项工作，软件和CPU是必须的。图4 双向LED接口示意图 a）发光 b) 反向偏压 c) 放电图5 LED发射和检测光 把它和增加红外【7】（大约$7）和蓝牙【8】（超过$10）的成本相比，由于转换电平和静电放电保护电路的要求，使用如此简单的机械式连接器会花费几美元。已存在的LED用于通信也能节约制造成本，因为昂贵的塑料模型不需要改变以适应专门的红外收

10、发器天线或物理连接。3. 智能背光智能背光是双向LED电路的一个应用。如前所述，智能远程控制背光的想法是在用户按下按钮之前打开背光。为了保持电力，我们希望只在足够暗的时候才打开背光。图6 自动背光原型为了验证这项功能，我们造了如图6所示的原型，完整图解如图7所示。该电路用一个电容接近式探测器来判断操作状态。虽然基本的电容测量电路和在手机缓冲区【4】用的一样，我们通过处理数据来寻找积极操作（电容变化），而不是简单的处理（电容增加）。许多用户即使在不积极用遥控时仍会持续使用，所以积极操作的探测对延长电池寿命有着决定性的作用。当然，一旦用户再次希望积极使用遥控，任何操作都可以打开背光。图7 自动背光

11、示意图 智能背光功能如下：单片机周期性工作，测量电容。如果没有探测到积极操作，单片机不工作。否则，用LED进行光测量。如果房间很暗，打开背光至少两秒。每次操作被探测到，背光计时器重新设定，背光两秒。 由于远程遥控已经包含低端单片机，增加这项功能不会花费很多成本。接近电极可以是印刷电路板的一部分，除去特殊用途的需要。如果有多余的I/O引脚可用，唯一额外的部件是一个简单，廉价的电容，用于电容传感器。 也许你会问是否持续运行探测器会影响到电池寿命。事实上，电路会消耗电源的电力。该模型用一个简单，CR2032型号的，硬币大小的手表电池就可以连续运行6个月。远程遥控通常用AAA或AA的电池，该电池比硬币

12、大小的电池有更强的蓄电能力。所以相比电池的自我放电，电源的损耗是无关紧要的。4. 双向通信协议在我们首次的智能背光的实验中，我们经常用基于LED的背光灯来测试光探测电路。这告诉我们LED之间的通信是可行的。我们想出一个简单的测试方法，用两个如图8所示的，相同的通用带有RS-232接口的PIC单片机。图8 LED双向通信 这些测试板利用一种简单的数据传输协议，其允许两个异步设备相位互相自锁，双向交换解调的脉冲带。对该协议的基本解释是两个设备的LED互相闪烁。短闪烁意味着“0”或space状态，长闪烁则是“1”或MARK状态。协议开启时，设备进入空转循环，发射一段1毫秒的光脉冲，紧接着是一段4毫秒

13、的接收期。在接收期间，设备进行了40次光测量，每次耗时100微秒。这些光测量只提供一小部分解决方法，即是否入射光在数字I/O接口阀值（正常1.5V）上下波动。在100微秒接收期内，只有当正常室内光照在LED，电容放电，光电流低于阀值。如图9所示，示波器轨迹显示了在几个正常光照条件下进行光测量所得LED阴极的电压变化。竖直刻度是1V/格，水平刻度是100微秒/格。电容最初电压是5V，然后放电。注意电压始终不低于阀值，所以单片机引脚总处于“1”。图9 正常室内光照下的几组光测量 图10是同样步骤下的示波器轨迹，但是由另一个LED照明的。在测量期内，电容完全放电，I/O引脚电压低于阀值，处于“0”。

14、在成功的“光照”下，空转循环至少持续两个测量周期。在这一点上，设备确保从另一相似设备来的入射光脉冲能被探测到，1毫秒的空转循环开启到4毫秒的接收期结束，转到一个更加快速的同步回路，描述如下。图10正常LED光照下的几组光测量 在同步回路期间，入射光仍是保持1毫秒，但紧接的是一系列的100微秒的光测量。在同步回路内，单片机会在另40个测量完成后结束测量，或当光脉冲的边缘被探测到时。当在有光照和10次没有光照的来回背靠背测量中，边缘才有可能被发现。同步回路内部的执行模式包括一个设备的LED亮1毫秒，然后所有LED熄灭1毫秒，紧接着另一设备的LED亮1毫秒，最后所有的LED熄灭1毫秒。即使所有的设备

15、的时钟频率误差高达25%，它们仍能同步。名义上的同步回路脉冲率是250HZ，占空度为25%。图11显示的是两个设备在同步回路的示波器轨迹，互为光启动脉冲。注意它们的时钟是完全独立的，所有的同步都是通过LED和基本协议完成的。 在通信期间，数据位以异步形式传输。1毫秒的光脉冲表示MARK，0.5毫秒光脉冲表示SPACE。伴随MARK位传输，系统正常空转（数据传送回路和同步回路的软件是一样的）。在数据传输期间，以SPACE位作为起始位，紧接的是8位的数据位，最后是MARK位作为结束位。这和通用8-N-1 RS-232是一样的。图11的上面轨迹显示的是在设备空转状态下的数据脉冲轨迹，发送所有的MAR

16、K脉冲。下面轨迹显示的是设备发送窄SPACE和宽MARK脉冲。图11 同步操作下设备间的示波器轨迹 为了给光脉冲译码，接收设备保持对每一次“光照测量”下同步回路的执行次数。如果“光照测量”的次数是7次或低于7次，记为SPACE.如果是8次或高于8次，记为MARK。执行通常异步译码（去掉SPACE起始位和MARK结束位）。8位数据才对应用程序有用。一个简单，更高水平的电路允许误差存在和订正。LED通信测试步骤进行非常顺利。下层协议可以在各个方向以大约250位/秒的速率传输数据。单片机缓冲数据，然后以38400 bps的速率连接到主机。在大约3厘米的范围内的数据转换是强的。因为我们所用的LED有一个相当窄