Hệ thống truyền tín hiệu bằng ánh sáng khả kiến sử dụng kỹ thuật điều chế PWM

1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu và thực hiện phần cứng một hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy sử dụng LED vừa để phục vụ chiếu sáng vừa để truyền và nhận tín hiệu trong không gian tự do. Ngoài ra hệ thống còn sử dụng kỹ thuật điều chế PWM với các thông số được điều chỉnh bởi người dùng để thay đổi cường độ ánh sáng LED phát ra. 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Vì sữ dụng ánh sáng nhìn thấy nên hệ thống sẽ không xuyên qua được các vật cản, phạm vi thu phát khoảng 50 cm, tốc độ tối đa 5.5 kbps. 1.4. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan và sơ lược về tình hình nghiên cứu. Sau đó nêu lên mục tiêu của đề tài và những giới hạn của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết tổng quan về hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được VLC gồm: cấu tạo, sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và ứng dụng. Sau đó tìm hiểu về phương pháp điều chế và giải điều chế PWM. Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được VLC Trình bày yêu cầu chi tiết của hệ thống rồi đi đến thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ giải thuật của hệ thống sau đó tìm hiểu chi tiết, thiết kế từng khôi. Chương 4: Kết quả Kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài. Nêu ưu điểm, nhược điểm của đồ án. Chương 5: Kết luận Đưa ra kết luận về đề tài và hướng phát triển cũng như ứng dụng của đề tài trong đời sống.

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LED Light Emitting DiodeDiode phát quang

Li-Fi Light FidelityHệ thống thu phát tín hiệu trong nhà dùng ánh sáng khả kiếnOFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingGhép kênh theo tần số trực giao

Điều chế độ rộng xung

RGB R: Red; G: Green; B: BlueBa màu cơ bản trong dãi màu mà mắt thường nhìn thấy

được

Bộ khuếch đại tín hiệu áp thu được từ PhotodiodeVLC Visible Light CommunicationGiao tiếp bằng ánh sáng khả kiến

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Minh Thành đã trực tiếp hướng dẫn cũng như tận tình chỉ bảo và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án môn học 1.

Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, những bài giảng của thầy cô đã trang bị kiến thức vững chắc để bây giờ em vận dụng thực hiện đồ án môn học 1.

Chân thành cảm ơn Bộ môn Máy tính - Viễn Thông, Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện tốt cho em về tài liệu học tập và trang thiết bị trong suốt thời gian học tập tại trường, nhất là trong quá trình em thực hiện đồ án.

Ngoài ra, khi thực hiện đồ án này, em cũng nhận được nhiều sự giúp đỡ từ những sinh viên khoa Điện – Điện tử khác Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn đã giúp

đỡ mình trong quá trình làm đồ án.

Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến gia đình,

đã luôn sát cánh và động viên trong những giai đoạn khó khăn nhất.

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019

Trương Hoài Lâm

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Vào thời xưa, viễn thông gồm việc dùng các tín hiệu hình ảnh, chẳng hạn nhưđèn hiệu, tín hiệu khói, tín hiệu cờ, quang báo, hoặc tin nhắn âm thanh như tiếngtrống, tiếng tù và tiếng còi Khi những phương thức thông tin từng bước phát triển,con người sử dụng chim bồ câu, ngựa, chó, thuyền bè để truyền tải thông tin, điều

đó phản ánh nhu cầu thông tin con nười ngày càng phát triển Qua từng thời kỳ lịch

sử, con người lọc ra những phát minh mới nhất để ứng dụng vào thông tin một cáchnăng động, điều đó càng được nhân lên gấp bội khi khoa học thông tin xuất hiện.Ngày nay, thông tin công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ, nhất là tronglĩnh vực Viễn thông, hay nói cụ thể hơn đó chính là truyền dữ liệu như việc dùngcác thiết bị điện như máy điện báo, điện thoại, cũng như dùng thông tin liên lạc vi

ba, vô tuyến, sợi quang và kết hợp với vệ tinh thông tin và Internet Việc truyền dữliệu được ứng dụng ngày càng rộng rãi cũng như tốc độ truyền ngày càng tăng đểđáp ứng nhu cầu đang tăng cao nhanh chóng này một hệ thống truyền tín hiệu mớiđược phát triển, sử dụng ánh sáng nhìn thấy được (ánh sáng khả kiến) để truyền tínhiệu, chính vì thế nên con người dễ dàng nhận biết được sự tồn tại của vùng đượcphủ sóng, từ đó tăng cường tính bảo mật cũng như tránh được một số tác dụng cóhại của sóng điện từ Nên đồ án này sẽ tìm hiều và thực hiện một hệ thống truyềntín hiệu bằng ánh sáng khả kiến sử dụng kỹ thuật điều chế PWM

1.4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu tổng quan và sơ lược về tình hình nghiên cứu Sau đó nêu lên mụctiêu của đề tài và những giới hạn của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày lý thuyết tổng quan về hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìnthấy được VLC gồm: cấu tạo, sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động và ứng dụng Sau đótìm hiểu về phương pháp điều chế và giải điều chế PWM

Chương 3: Thiết kế hệ thống truyền dữ liệu bằng ánh sáng nhìn thấy được VLC

Trình bày yêu cầu chi tiết của hệ thống rồi đi đến thiết kế sơ đồ khối và sơ đồgiải thuật của hệ thống sau đó tìm hiểu chi tiết, thiết kế từng khôi

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐỊNH NGHĨA TRUYỀN THÔNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY (VLC)

Hệ thống truyền tín hiệu bằng ánh sáng nhìn thấy được (VLC - Visible LightCommunication) là công nghệ sử dụng ánh sáng mà mắt thường nhìn thấy được(ánh sáng khả kiến) để truyền dữ liệu, thay vì sử dụng sóng điện từ hay hồng ngoại.Sóng điện từ có ở khắp nơi, là một giải pháp không thể thiếu trong truyền tín hiệukhông dây mà con người đang sử dụng rất rộng rãi Vậy tại sao người ta lại nghiêncứu VLC, VLC có ưu điểm gì so với sóng điện từ, VLC có hội tụ đầy đủ các ưuđiểm vượt trội hơn các hệ thống truyền không dây trước đó để ứng dụng vào đờisống con người, đồ án này sẽ giúp chúng ta trả lời câu hỏi đó

Hình 2 1: Vùng bước sóng của ánh sáng khả kiến

Vùng bước sóng của ánh sáng khả kiến rộng hơn vùng bước sóng của sóngđiện từ tới 10,000 lần:

Hình 2.2: Phổ ánh sáng khả kiến rộng hơn phổ sóng điện từ tới 10,000 lần

Chính vì sử dụng ánh sáng khả kiến nên một mặt VLC sẽ phục vụ cho nhu cầuchiếu sáng hằng ngày, mặt khác sẽ phục vụ cho việc truyền dữ liệu, đồng thời giảmảnh hưởng đến sức khỏe con người vì chúng ta hoàn toàn nhận biết được ánh sángkhả kiến để tự bảo vệ mắt, cũng như tránh được sự tiếp xúc với sóng điện từ

Cơ sở lý thuyết của VLC hoàn toàn tương tự như việc truyền dữ liệu bằng ánhsáng laser hay hồng ngoại, chỉ khác biệt ở chỗ VLC sử dụng ánh sáng khả kiến.Hiện nay, bóng đèn LED (Light Emitting Diode) ngày càng cải tiến và dần trởthành nguồn chiếu sáng được sử dụng phổ biến thay thế các thiết bị chiếu sáng cũ,điều đó đã mang lại cơ hội kết hợp với công nghệ VLC - trong đó sử dụng LED làmnguồn phát Khi chúng ta đưa dòng điện không đổi vào đèn LED sẽ phát ra cácdòng photon ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát được (ánh sáng khả kiến) Nếuthay đổi dòng điện, cường độ sáng của bóng đèn tương tự cũng thay đổi theo và sựthay đổi này diễn ra ở tốc độ rất nhanh mà mắt thường không nhận biết được Từ

đó, thông tin có thể được điều chế vào trong ánh sáng của bóng đèn và truyền đi đếnmáy thu

Sử dụng kỹ thuật này chúng ta có được tốc độ truyền dữ liệu rất lớn trong khivẫn giữ được công dụng chiếu sáng của bóng đèn Công nghệ sử dụng ánh sáng đểtruyền thông tin còn được gọi với cái tên “Li-Fi” (Light Fidelity) Tuy nhiên, côngnghệ VLC hay Li-Fi không hẳn sinh ra để trở thành địch thủ với Wi-Fi mặc dù VLCđược mong đợi như là một giải pháp giải quyết vấn đề quá tải trong các mạng Wi-Fihiện nay Nhưng trong tương lai, công nghệ này có thể sẽ không cung cấp nhiều

băng thông cho đường lên (uplink) và do đó mạng Wi-Fi hiện tại sẽ bổ sung cho vấn

đề này

Công nghệ VLC rất phù hợp cho các ứng dụng cung cấp nội dung phổ biếntrên internet như các ứng dụng download video, audio hay duyệt web Các ứngdụng này phần lớn phụ thuộc nhiều vào băng thông của đường xuống (downlink)nhưng lại chỉ yêu cầu băng thông đường lên nhỏ Theo cách này, chúng ta có thểgiải quyết vấn đề quá tải trong việc sử dụng các kênh vô tuyến và mở rộng dunglượng của Wi-Fi

- Microcontroller: khối này là một board mạch gồm các linh kiện điện tử mà

thành phần chính là Microcontroller Ở Transmitter thì nhiệm vụ của khối này

là nhận tín hiệu từ máy tính truyền xuống (qua cổng USB hoặc RS-232, )sau đó mã hóa, điều chế tín hiệu để lái LED

- Khối phát: gồm có một nguồn cung cấp dòng cho LED, giá trị của nguồn

dòng này sẽ thay đổi theo tín hiệu ở ngõ ra của khối Microcontroller, từ đó sẽlàm LED ON-OFF hoặc thay đổi cường độ sáng theo một quy tắc biết trước

- Khối thu: cấu tạo chính của khối này là một Photodiode mắc nối tiếp với một

biến trở Giá trị điện trở ở hai đầu Photodiode sẽ thay đổi theo cường độ ánhsáng chiếu vào nó, từ đó làm thay đổi điện áp ở hai đầu biến trở Tín hiệu điện

áp thay đổi này sẽ được đưa về khối Microcontroller xử lý và khôi phục tínhiệu sau đó gửi lên máy tính

2.3 ỨNG DỤNG

 Môi trường trong nhà

Hệ thống VLC vừa là thiết bị chiếu sáng vừa là môi trường truyền tín hiệugiữa các thiết bị như laptop, TV, smartphone, Bên cạnh việc tận dụng hệ thốngchiếu sáng để giảm giá thành, hệ thống VLC còn có thêm đặc điểm là an toànhơn vì không sử dụng sóng điện từ, tính bảo mật cao vì chỉ chiếu sáng trong nhà,bên ngoài hoàn toàn không thu được

Hình 2.4: Ứng dụng trong nhà của VLC

Cụ thể về một số loại dịch vụ như sau:

Hai chiềuhoặcmột chiềuKhoảng cách Vài mét Vài mét Vài mét Vài mét

Ứng dụng nội dungChia sẻ Truyền VideoTruyền Data Điều khiểnĐịnh vị BroadcastData

 Môi trường ngoài trời

Nếu VLC hoạt động khá ổn định ở môi trường trong nhà thì VLC bộc lộmột số hạn chế khi sử dụng ở ngoài trời Bởi vì môi trường ngoài sẽ có rất nhiềunguồn sáng khác nhau, nhất là ánh sáng mặt trời, sẽ ảnh hưởng đến khả năng thutín hiệu của hệ thống

Tuy nhiên VLC vẫn có một số ứng dụng ngoài trời, điển hình là phát hiệncác tín hiệu từ những nguồn sáng gần nó Ví dụ khi xe trước phanh lại thì đènstop sau của xe sẽ sáng lên, bình thường tài xế xe phía sau sẽ nhận ra ngay vàđưa ra các phản ứng cho phù hợp, nhưng có một vài trường hợp như xe trướcdừng một cách đột ngột hoặc lái xe phía sau lơ đãng không kịp phản ứng sẽ xảy

ra những trường hợp va chạm Nếu chiếc xe ở phía sau có trang bị VLC thì sẽ dễdàng phát hiện được đèn stop của xe trước sáng lên, từ đó đưa tín hiệu về vi điềukhiển báo cho tài xế biết để tránh va chạm hoặc tự động đưa ra quyết định phanh

xe nếu khoảng cách quá gần

Hình 2.5: Một ứng dụng ngoài trời của VLC

2.4 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM

- Tốc độ chưa cao, từ vài kbit/s đến vài Mbit/s

- Dễ bị ảnh hưởng bởi các nguồn ánh sáng khả kiến khác như mặt trời

- Chỉ phù hợp với các ứng dụng trong nhà với khoảng cách ngắn

Hệ thống đèn chiếu sáng buộc phải bật lên nếu muốn hệ thống VLC hoạtđộng Do đó không thể yêu cầu hệ thống hoạt động mà không phát ra ánh

đó chính là do dòng tối ngược chiều nhỏ đi qua tải khi không có ánh sáng tới

bộ tách quang Nguyên nhân gây ra là do nhiệt ở lớp tiếp giáp hoặc khiếmkhuyết ở bề mặt

Chương 3

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN TÍN HIỆU BẰNG ÁNH SÁNG NHÌN THẤY ĐƯỢC

3.1 YÊU CẦU CHI TIẾT HỆ THỐNG

Tiến hành thực hiện phần cứng mô tả hệ thống VLC sử dụng LED màu xanh(Green LED) để làm nguồn sáng và Photodiode để truyền và thu tín hiệu audio

thông qua kỹ thuật điều chế PWM Khoảng cách truyền giữa 2 thiết bị thu và phát

trong môi trường không gian tự do là khoảng 50cm, tốc độ truyền tối đa là 5.5kbps

hóa, điều chế PWM.

- Khối khuếch đại: chức năng của khối này là dựa vào tín hiệu nhận được từ viđiều khiển để tạo dòng lái LED làm cho LED ON hoặc OFF theo một quy tắcbiết trước để phát tín hiệu đi

- Khối LED: là một LED siêu sáng (green) phát ra ánh sáng nhìn thấy được,khối này đóng vai trò phát tín hiệu dưới dạng ánh sáng trong không gian tựdo

 Mạch thu

- Khối Photodiode: khối này đóng vai trò thu ánh sáng Cường độ ánh sángchiếu vào Photodiode thay đổi sẽ làm điện áp đầu ra của Photodiode thay đổitheo

- Khối lọc thông thấp: nhận tín hiệu từ photodiode và cho các thành phần tần

số thấp đi qua, và chặn các thành phần tần số cao, để khôi phục lai tín hiệuAudio ban đầu

- Khối khuếch đại âm tần: chức năng của khối này là dựa vào tín hiệu nhậnđược từ khối lọc thông thấp để tạo dòng lái loa

 Nguyên lý hoạt động

Tín hiệu Audio được truyền từ thiết bị phát Audio qua jack 3.5 mm, sau đó tínhiệu được khuếch đại và đưa qua mạch cộng DC Tín hiệu sau khi được cộng DC sẽtruyền vào vi điều khiển Khi vi điều khiển nhận được dữ liệu sẽ tiến hành mã hóa

và điều chế sau đó đưa tới khối lái nguồn dòng cho LED

Khối nguồn dòng lái LED sẽ nhận tín hiệu từ vi điều khiển kết hợp với nguồn

DC để tạo dòng lái LED LED sẽ ở hai trạng thái ON và OFF tùy vào dòng lái, từ

đó tạo được tín hiệu phát đi trong không gian

Ánh sáng phát đi trong không gian sẽ được Photodidode ở máy thu thu lại,biến cường độ sáng thành tín hiệu điện áp, tín hiệu này sẽ được đưa qua bộ khuếchđại và offset sau đó sẽ qua bộ lọc Lowpass Filter để khôi phục lại tín hiệu Audio

3.3 THIẾT KẾ TỪNG KHỐI

3.3.1 KHỐI NGUỒN

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên ký mạch nguồn

- JackDC: Connector cấp nguồn 12VAC từ biến áp

- D1: cần Diode 1A, có chức năng chỉnh lưu dòng diện xoay chiều thành một chiều

có gợn sóng với chu kỳ bằng hai lần chu kỳ tín hiệu vào

- Các tụ điện 1000uF, 100uF, tụ 104 đóng vai trò lọc bỏ thành phần xoay chiều ởngõ ra của D1, giúp làm giảm độ gợn sóng

- IC ổn áp 7805: ổn định điện áp ngõ ra 5VDC khi ngõ vào có điện áp thay đổitrong phạm vi cho phép

- Công tắc ON-OFF: để đóng ngắt mạch điện ở ngõ ra của khối nguồn

- Ngoài ra còn có các LED (đi kèm với các điện trở hạn dòng) để thông báo

3.3.2 MẠCH PHÁT

 Khối cộng DC

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối cộng DC

Tín hiệu sau khi lấy từ jack 3.5 sẽ đi qua một tự điện có giá trị 0.22uF để lọc

đi các thành phần DC Sau đó ta dùng một cầu phân áp với 2 điện trở có giá trị 10KOhm để dich tín hiệu lên từ 0V đến 5V để khi điều chế tín hiệu sẽ không bị xén đi

 Khối PIC 18F4550

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối Pic 18F4550

Vi điều khiển: PIC18F4550 được chọn làm vi điều khiển trong mạch vì tínhđơn giản, dễ sử dụng và tài liệu về cũng dễ tìm kiếm PIC18F4550 có 40 chân,chức năng một số chân như sau:

- Chân 1: là chân Reset tích cực mức thấp, vì vậy trong sơ đồ nguyên lý ở trên,chân 1 được nối lên Vcc

- Chân 39 (RB6/ICSPCLK) và chân 40 (RB7/ICSPDAT): được nối với bộ nạp

để nạp chương trình cho PIC18F4550

- Chân 12 và 31: được nối với Vss

- Chân 11 và 32: được nối với Vdd

- Chân 13 và 14 được nối với thạch anh ngoại 20MHz tạo xung nhịp cho chíphoạt động

- Chân 17 (CCP1): sau khi tín hiệu được mã hóa và điều chế PWM sẽ đượcchân này xuất tín hiệu PWM điều khiển LED chớp sáng

 Khối khuếch đại

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý khối Driver

Ngõ ra của Pic 18F4550 có dòng tải tối đa -25mA không đủ dòng để kéo led Muốn cường độ bức xạ ánh sáng ra môi trường càng mạnh thì dòng qua led phátphải đủ lớn Do đó, tín hiệu sau khi được xử lý sẽ cho qua bộ khuếch đại đệm.Mạch khuếch đại đệm gồm hai transistor NPN và PNP được mắc theo kiểu cặp hồi tiếp để lấy dòng từ nguồn cấp cho led.

3.3.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH PHÁT

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch phát

3.3.4 MẠCH THU

 Khối lọc thông thấp và khuếch đại

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối lọc thông thấp và khuếch đại

Sau khi photodiode thu lại tín hiệu sẽ đi qua khối mạch lọc thông cao bởi C11

= 0.1uF và R11 = 10 Kohm với tần số cắt là 160 Hz, rồi qua mạch lọc thông thấpbởi R12 = 10 Kohm và C12 = 0.1uF có tần số cắt là 16 KHz Sau khi tín hiêu đi quaop-apm sẽ được khuếch đại lên 10 lần

3.3.5 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH THU

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý mạch thu

3.3.6 LAYOUT MẠCH PHÁT

Hình 3.9: Layout mạch phát.

3.3.7 LAYOUT MẠCH THU

Hình 3.10: Layout mạch thu

3.4 SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT CỦA CODE LẬP TRÌNH CHO PIC 18F4550

3.5 CODE LẬP TRÌNH CHO PIC 18F4550

///////////////////////////////////////////////////////////////

#include "config.h" /*Header file for Configuration Bits*/

#include <pic18f4550.h> /*Header file PIC18f4550 definitions*/

#define _XTAL_FREQ 4000000 // Fosc frequency for delay

#include "adc.h" // - Include adc function

void interrupt Timer0_ISR(void)

{

unsigned int adc = 0

adc = adc_read( ); //read adc channel 0 (pin_a0)

adc = adc - 462; no audio -> adc=512 (2.5V), audio-in swings 2.5V; duty PWM accepts from 0 to 100 -> 512 - 462 = 50 -> 50% duty cycle PWM

if adc> ) && adc<100) )

TMR0IF= ; // clear timer0 interrupt flag

TMR0L=180; //set value byte_low timer0

TMR2 = 0x00; // setting TMR2 value as 0, start counting from 0

PR2 = 23; // set the PR2 value, to get PWM period of 2us // period = (PR2+1)*4/(48MHz)*prescale //prescale = 1

CCPR1L = 0x00; // setting initial value of CCPR1L as 0

CCP1CON = 0x0C; // select single output with P1A, and mode select bits so as to get P1A, P1B, P1C and // P1D as active-high

TRISC &= 0xFB; // setting the PWM pin as output

T2CON = 0x04; // both the pre-scalar and post-scalar bits are written for 1:1 with the timer2 turned on

T0IF = 0 // turning off the Timer0 interrupt

TMR0L = 0xFE; // setting the timer register to value

T0CON = 0xC0; // enable the timer, select the timer in 8bit, select CLKO, assign the pre-scale value 1:4

TMR0IF= ; // clearing the timer0 overflow bit

T0IE = 1 // enabling the timer0 interrupt

GIE = 1 // enabling the global interrupts