一种基于发光二极管与PIN型光电二极管的水下无线光通信系统

一种基于发光二极管与pin型光电二极管的水下无线光通信系统
1、技术领域
1.本发明涉及光通信领域，具体地说是一种基于发光二极管与pin型光电二极管的水下无线光通信系统。
2、

背景技术：

2.随着现代海洋工程的高速发展，人类对水下通信技术的需求越来越高。水下无线光通信是一种利用光传输数据的通信技术，与传统的水声通信相比，水下无线光通信具备高速率、低延时与高安全性等优点，可应用于水下运动机器之间的高速通信、海洋观测传感器物联网的互联互通及信息回传等。
3.水下无线光通信系统主要由发射端与接收端组成，发射端通过光源将电信号转化为光信号，接收端通过探测器将光信号转化为电信号。传统的水下无线光通信系统体积大、系统复杂度高，难以应用于微小型水下机器人。
4.目前如何设计一款适用于微小型水下机器人及其集群的小体积、高集成度的水下无线光通信系统，以实现微小型水下机器人间的信息高速交互，还有待研究。
3、

技术实现要素：

5.本发明提供一种水下无线光通信系统，该系统体积小巧且集成度高，能够实时完成调制与解调并应用于微小型水下机器人上。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明提供了一种水下无线光通信系统，包括：光发射组件、光接收组件以及控制器；所述控制器用于生成和接收电信号，光发射组件用于将控制器生成的电信号转化为光信号发射出去，光接收组件用于将接收到的光信号转化为电信号并传输至控制器。
8.所述光发射组件包括：驱动电路与发光二极管；所述控制器，被配置为生成驱动信号；所述驱动电路，与所述控制器连接，被配置为根据驱动信号生成光驱动信号；所述发光二极管，与所述驱动电路连接，被配置为根据光驱动信号发出光信号；所述发光二极管被配置为波长为450nm的蓝光发光二极管以达到水下通信的目的。其中，所述驱动电路包括：反相电路、预均衡电路和高速开关电路；所述反相电路，与所述控制器相连，被配置为将驱动信号进行反相，形成第一驱动信号；所述预均衡电路，与所述反相电路相连，被配置为将第一驱动信号进行均衡处理，生成第二驱动信号；所述高速开关电路，与所述预均衡电路相连，被配置为将第二驱动信号进行功率放大，生成光驱动信号。
9.所述反相电路包括：电阻fr1-fr3、比较器fb，电阻fr1的第一端与控制器相连，电阻fr1的第二端与比较器fb的反相输入端相连，电阻fr2的第一端与电源相连，电阻fr2的第二端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第一端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第二端接地；
10.所述预均衡电路包括：电阻yr与电容yc，电阻yr的第一端与比较器fb的输出端相
连，电阻yr的第二端与高速开关电路相连，电容yc的第一端和第二端分别与电阻yr的第一端和第二端相连；
11.所述高速开关电路包括：电阻gr1-gr2与晶体管gm，电阻gr1的第一端与晶体管gm的基极以及电阻yr的第二端相连，电阻gr1的第二端与晶体管gm的源极相连并接地，晶体管gm的漏极与电阻gr2的第一端相连，电阻gr2的第二端与发光二极管的阴极相连，发光二极管阳极与电源相连；所述晶体管gm为增强型n沟道金属氧化物半导体场效应管。
12.所述光接收组件包括：调理电路与pin型光电二极管；所述pin型光电二极管，被配置为将接收到的光信号转化为初始电信号；所述调理电路，与所述pin型光电二极管相连，被配置为调理初始电信号；所述控制器，与所述调理电路相连，被配置为接收调理后的电信号。其中，所述调理电路包括：低噪放大电路、低通滤波电路、运算放大电路、比较判决电路；所述低噪放大电路，与所述pin型光电二极管相连，被配置为将初始电信号进行初级放大，形成第一电信号；所述低通滤波电路，与所述低噪放大电路相连，被配置为将第一电信号进行滤波，形成第二电信号；所述运算放大电路，与所述低通滤波电路相连，被配置为将第二电信号进行次级放大，形成第三电信号；所述比较判决电路，与所述运算放大电路相连，被配置为将第三电信号进行判决，形成第四电信号，并将第四电信号传输至所述控制器。
13.所述低噪放大电路包括：单片式放大器za1
–
za2、电容zc1-zc5、电感zl1-zl2、电阻zr1-zr2，电容zc1的第一端与pin型光电二极管阳极相连，电容zc1的第二端与单片式放大器za1的一脚相连，单片式放大器za1的三脚与电容zc2的第一端相连，电容zc2的第二端与单片式放大器za2的一脚相连，单片式放大器za2的三脚与电容zc3的第一端相连，电容zc3的第二端与低通滤波电路相连，电感zl1的第一端与单片式放大器za1的三脚相连，电感zl1的第二端与电阻zr1第一端以及电容zc4的第一端相连，电阻zr1第二端与电源相连，电容zc4的第二端接地，电感zl2的第一端与单片式放大器za2的三脚相连，电感zl2的第二端与电阻zr2第一端以及电容zc5的第一端相连，电阻zr2第二端与电源相连，电容zc5的第二端接地，单片式放大器za1与za2的二脚与四脚均接地。
14.所述低通滤波电路包括：电感fl1-fl3、电容fc1-fc4，电感fl1的第一端与低噪放大电路以及电容fc1的第一端相连，电感fl1的第二端与电感fl2的第一端以及电容fc2的第一端相连，电感fl2的第二端与电感fl3的第一端以及电容fc3的第一端相连，电感fl3的第二端与电容fc4的第一端以及运算放大电路相连，电容fc1-fc4的第二端均接地。
15.所述运算放大电路包括：运算放大器sa1-sa2、电阻sr1-sr6、电容sc1，运算放大器sa1的同相输入端与电阻sr1的第一端以及低通滤波电路相连，运算放大器sa1的反相输入端与电阻sr2的第一端以及电阻sr3的第一端相连，电阻sr3的第二端与运算放大器sa1的输出端相连，电容sc1的第一端与运算放大器sa1的输出端相连，运算放大器sa2的同相输入端与电容sc1的第二端以及电阻sr4的第一端相连，运算放大器sa2的反相输入端与电阻sr5的第一端以及电阻sr6的第一端相连，运算放大器sa2的输出端与电阻sr6的第二端以及比较判决电路相连，电阻sr1、sr2、sr4以及sr5的第二端均接地。
16.所述比较判决电路包括：比较器jb、电阻jr1-jr4，电阻jr1的第一端与运算放大电路相连，电阻jr1的第二端与比较器jb的反相输入端相连，比较器jb的同相输入端与电阻jr2的第一端以及电阻jr3的第一端相连，电阻jr2的第二端接地，电阻jr3的第二端接电源，比较器jb的输出端与电阻jr4的第一端相连，电阻jr4的第二端与控制器相连。
17.所述系统还包括供电组件，所述供电组件用于为所述发射组件、接收组件以及控制器供电，所述供电组件为锂电池供电组件。
4、附图说明
18.图1为本发明的水下无线光通信系统结构示意图；
19.图2为本发明的水下无线光通信系统中发射组件结构示意图；
20.图3为本发明的水下无线光通信系统中接收组件结构示意图；
21.图4为本发明的水下无线光通信系统中发射组件电路原理图；
22.图5为本发明的水下无线光通信系统中接收组件电路原理图。
5、具体实施方式
23.下面参照附图对本发明进一步详细说明，使得本发明的技术方案与优点更加清晰。
24.如图1所示，本发明的水下无线光通信系统包括：控制器100a、发射组件100b、接收组件100c。其中，发射组件100b包括：驱动电路110、发光二极管120；控制器100a，被配置为生成驱动信号；驱动电路110，与控制器100a相连，被配置为根据驱动信号生成光驱动信号；发光二极管120，与驱动电路110相连，被配置为根据光驱动信号发出光信号。接收组件100c包括：调理电路130、pin型光电二极管140；pin型光电二极管140，被配置为将接收到的光信号转化为初始电信号；调理电路130，与pin型光电二极管140相连，被配置为调理初始电信号；所述控制器100a，与调理电路130相连，被配置为接收调理后的电信号。
25.如图1所示，本发明的控制器100a选用stm32f1系列芯片作为主控芯片的单片机，以方便兼容微小型水下机器人的控制系统。
26.如图2所示，本发明的驱动电路110包括：反相电路111、预均衡电路112和高速开关电路113。反相电路，与控制器相连，被配置为将驱动信号进行反相，形成第一驱动信号；预均衡电路，与反相电路相连，被配置为将第一驱动信号进行均衡处理，生成第二驱动信号；高速开关电路，与预均衡电路相连，被配置为将第二驱动信号进行功率放大，生成光驱动信号。
27.如图3所示，本发明的调理电路130包括：低噪放大电路131、低通滤波电路132、运算放大电路133、比较判决电路134。低噪放大电路，与pin型光电二极管相连，被配置为将初始电信号进行初级放大，形成第一电信号；低通滤波电路，与低噪放大电路相连，被配置为将第一电信号进行滤波，形成第二电信号；运算放大电路，与低通滤波电路相连，被配置为将第二电信号进行次级放大，形成第三电信号；比较判决电路，与运算放大电路相连，被配置为将第三电信号进行判决，形成第四电信号，并将第四电信号传输至所述控制器。
28.如图4所示，本发明的反相电路111包括：电阻fr1-fr3、比较器fb，电阻fr1的第一端与控制器相连，电阻fr1的第二端与比较器fb的反相输入端相连，电阻fr2的第一端与电源相连，电阻fr2的第二端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第一端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第二端接地；反相电路用于兼容通用异步收发器通信协议，解决通用异步收发器端口空闲时信号为高电平导致发光二极管常量的问题，减少能源浪费。
29.如图4所示，本发明的预均衡电路112包括：电阻yr与电容yc，电阻yr的第一端与比
较器fb的输出端相连，电阻yr的第二端与高速开关电路相连，电容yc的第一端和第二端分别与电阻yr的第一端和第二端相连。
30.如图4所示，本发明的高速开关电路113包括：电阻gr1-gr2与晶体管gm，电阻gr1的第一端分别与晶体管gm的基极和电阻yr的第二端相连，电阻gr1的第二端与晶体管gm的源极相连并接地，晶体管gm的漏极与电阻gr2的第一端相连，电阻gr2的第二端与发光二极管的阴极相连，发光二极管阳极与电源相连；所述晶体管gm为增强型n沟道金属氧化物半导体场效应管；所述发光二极管被配置为波长为450nm的蓝光发光二极管以达到水下通信的目的。
31.如图5所示，本发明的低噪放大电路131包括：单片式放大器za1
–
za2、电容zc1-zc5、电感zl1-zl2、电阻zr1-zr2，电容zc1的第一端与pin型光电二极管阳极相连，电容zc1的第二端与单片式放大器za1的一脚相连，单片式放大器za1的三脚与电容zc2的第一端相连，电容zc2的第二端与单片式放大器za2的一脚相连，单片式放大器za2的三脚与电容zc3的第一端相连，电容zc3的第二端与低通滤波电路相连，电感zl1的第一端与单片式放大器za1的三脚相连，电感zl1的第二端与电阻zr1第一端以及电容zc4的第一端相连，电阻zr1第二端与电源相连，电容zc4的第二端接地，电感zl2的第一端与单片式放大器za2的三脚相连，电感zl2的第二端与电阻zr2第一端以及电容zc5的第一端相连，电阻zr2第二端与电源相连，电容zc5的第二端接地，单片式放大器za1与za2的二脚与四脚均接地。
32.如图5所示，本发明的低通滤波电路132包括：电感fl1-fl3、电容fc1-fc4，电感fl1的第一端与低噪放大电路以及电容fc1的第一端相连，电感fl1的第二端与电感fl2的第一端以及电容fc2的第一端相连，电感fl2的第二端与电感fl3的第一端以及电容fc3的第一端相连，电感fl3的第二端与电容fc4的第一端以及运算放大电路相连，电容fc1-fc4的第二端均接地。如图5所示，本发明的运算放大电路133包括：运算放大器sa1-sa2、电阻sr1-sr6、电容sc1，运算放大器sa1的同相输入端与电阻sr1的第一端以及低通滤波电路相连，运算放大器sa1的反相输入端与电阻sr2的第一端以及电阻sr3的第一端相连，电阻sr3的第二端与运算放大器sa1的输出端相连，电容sc1的第一端与运算放大器sa1的输出端相连，运算放大器sa2的同相输入端与电容sc1的第二端以及电阻sr4的第一端相连，运算放大器sa2的反相输入端与电阻sr5的第一端以及电阻sr6的第一端相连，运算放大器sa2的输出端与电阻sr6的第二端以及比较判决电路相连，电阻sr1、sr2、sr4以及sr5的第二端均接地。
33.如图5所示，本发明的比较判决电路134包括：比较器jb、电阻jr1-jr4，电阻jr1的第一端与运算放大电路相连，电阻jr1的第二端与比较器jb的反相输入端相连，比较器jb的同相输入端与电阻jr2的第一端以及电阻jr3的第一端相连，电阻jr2的第二端接地，电阻jr3的第二端接电源，比较器jb的输出端与电阻jr4的第一端相连，电阻jr4的第二端与控制器相连。
34.如图5所示，本发明的水下无线光通信系统中pin型光电二极管工作于反向偏压状态。
35.本发明的水下无线光通信系统还包括供电组件，供电组件为锂电池供电组件，用于为所述发射组件、接收组件以及控制器供电。
36.本发明的水下无线光通信系统将发光二极管与pin型光电二极管组合成为一个模块，并在其外围浇筑环氧树脂以形成防水外壳，驱动电路与调理电路共同制成一块小尺寸
印制电路板。因此该光通信系统不仅能够发送光信号，还能接收光信号，实现双向通信。整个光通信系统具有体积小巧、集成度高、易于系统布控以及成本较低的优点，其能够较为简单地安装于微小型水下机器人中，实现实时调制与解调。

技术特征：
1.一种基于发光二极管与pin型光电二极管的水下光通信系统，其特征在于，包括光发射组件、光接收组件以及控制器。2.根据权力要求1所述的系统，其特征在于，所述光发射组件包括：驱动电路与发光二极管；所述控制器，被配置为生成驱动信号；所述驱动电路，与所述控制器相连，被配置为根据驱动信号生成光驱动信号；所述发光二极管，与所述驱动电路相连，被配置为根据光驱动信号发出光信号。3.根据权力要求2所述的系统，其特征在于，所述发光二极管被配置为波长为450nm的蓝光发光二极管以达到水下通信的目的。4.根据权力要求2所述的系统，其特征在于，所述驱动电路包括：反相电路、预均衡电路和高速开关电路；所述反相电路，与所述控制器相连，被配置为将驱动信号进行反相，形成第一驱动信号；所述预均衡电路，与所述反相电路相连，被配置为将第一驱动信号进行均衡处理，生成第二驱动信号；所述高速开关电路，与所述预均衡电路相连，被配置为将第二驱动信号进行功率放大，生成光驱动信号。5.根据权力要求4所述的系统，其特征在于，所述反相电路包括：电阻fr1-fr3、比较器fb，电阻fr1的第一端与控制器相连，电阻fr1的第二端与比较器fb的反相输入端相连，电阻fr2的第一端与电源相连，电阻fr2的第二端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第一端与比较器fb的同相输入端相连，电阻fr3的第二端接地；所述预均衡电路包括：电阻yr与电容yc，电阻yr的第一端与比较器fb的输出端相连，电阻yr的第二端与高速开关电路相连，电容yc的第一端和第二端分别与电阻yr的第一端和第二端相连；所述高速开关电路包括：电阻gr1-gr2与晶体管gm，电阻gr1的第一端与晶体管gm的基极以及电阻yr的第二端相连，电阻gr1的第二端与晶体管gm的源极相连并接地，晶体管gm的漏极与电阻gr2的第一端相连，电阻gr2的第二端与发光二极管的阴极相连，发光二极管阳极与电源相连；所述晶体管gm为增强型n沟道金属氧化物半导体场效应管。6.根据权力要求1所述的系统，其特征在于，所述光接收组件包括：调理电路与pin型光电二极管；所述pin型光电二极管，被配置为将接收到的光信号转化为初始电信号；所述调理电路，与所述pin型光电二极管相连，被配置为调理初始电信号；所述控制器，与所述调理电路相连，被配置为接收调理后的电信号。7.根据权力要求6所述的系统，其特征在于，所述调理电路包括：低噪放大电路、低通滤波电路、运算放大电路、比较判决电路；所述低噪放大电路，与所述pin型光电二极管相连，被配置为将初始电信号进行初级放大，形成第一电信号；所述低通滤波电路，与所述低噪放大电路相连，被配置为将第一电信号进行滤波，形成第二电信号；所述运算放大电路，与所述低通滤波电路相连，被配置为将第二电信号进行次级放大，形成第三电信号；所述比较判决电路，与所述运算放大电路相连，被配置为将第三电信号进行判决，形成第四电信号，并将第四电信号传输至所述控制器。8.根据权力要求7所述的系统，其特征在于，所述低噪放大电路包括：单片式放大器za1
–
za2、电容zc1-zc5、电感zl1-zl2、电阻zr1-zr2，电容zc1的第一端与pin型光电二极管阳极相连，电容zc1的第二端与单片式放大器za1的一脚相连，单片式放大器za1的三脚与电容zc2的第一端相连，电容zc2的第二端与单片式放大器za2的一脚相连，单片式放大器za2
的三脚与电容zc3的第一端相连，电容zc3的第二端与低通滤波电路相连，电感zl1的第一端与单片式放大器za1的三脚相连，电感zl1的第二端与电阻zr1第一端以及电容zc4的第一端相连，电阻zr1第二端与电源相连，电容zc4的第二端接地，电感zl2的第一端与单片式放大器za2的三脚相连，电感zl2的第二端与电阻zr2第一端以及电容zc5的第一端相连，电阻zr2第二端与电源相连，电容zc5的第二端接地，单片式放大器za1与za2的二脚与四脚均接地；所述低通滤波电路包括：电感fl1-fl3、电容fc1-fc4，电感fl1的第一端与低噪放大电路以及电容fc1的第一端相连，电感fl1的第二端与电感fl2的第一端以及电容fc2的第一端相连，电感fl2的第二端与电感fl3的第一端以及电容fc3的第一端相连，电感fl3的第二端与电容fc4的第一端以及运算放大电路相连，电容fc1-fc4的第二端均接地；所述运算放大电路包括：运算放大器sa1-sa2、电阻sr1-sr6、电容sc1，运算放大器sa1的同相输入端与电阻sr1的第一端以及低通滤波电路相连，运算放大器sa1的反相输入端与电阻sr2的第一端以及电阻sr3的第一端相连，电阻sr3的第二端与运算放大器sa1的输出端相连，电容sc1的第一端与运算放大器sa1的输出端相连，运算放大器sa2的同相输入端与电容sc1的第二端以及电阻sr4的第一端相连，运算放大器sa2的反相输入端与电阻sr5的第一端以及电阻sr6的第一端相连，运算放大器sa2的输出端与电阻sr6的第二端以及比较判决电路相连，电阻sr1、sr2、sr4以及sr5的第二端均接地；所述比较判决电路包括：比较器jb、电阻jr1-jr4，电阻jr1的第一端与运算放大电路相连，电阻jr1的第二端与比较器jb的反相输入端相连，比较器jb的同相输入端与电阻jr2的第一端以及电阻jr3的第一端相连，电阻jr2的第二端接地，电阻jr3的第二端接电源，比较器jb的输出端与电阻jr4的第一端相连，电阻jr4的第二端与控制器相连。9.根据权力要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括供电组件；其中，所述供电组件用于为所述发射组件、接收组件以及控制器供电；所述供电组件为锂电池供电组件。

技术总结
一种基于发光二极管与PIN型光电二极管的水下无线光通信系统，该系统包括：光发射组件、光接收组件以及控制器；其中，光发射组件包括：驱动电路与发光二极管；控制器，被配置为生成驱动信号；驱动电路，与控制器相连，被配置为根据驱动信号生成光驱动信号；发光二极管，与驱动电路相连，被配置为根据光驱动信号发出光信号；光接收组件包括：调理电路与PIN型光电二极管；PIN型光电二极管，被配置为将接收到的光信号转化为初始电信号；调理电路，与PIN型光电二极管相连，被配置为调理初始电信号；控制器，与调理电路相连，被配置为接收调理后的电信号；该系统体积小巧且集成度高，能够实时完成调制与解调，能很好地应用于微小型水下机器人上。能很好地应用于微小型水下机器人上。能很好地应用于微小型水下机器人上。


技术研发人员：徐敬 高云海 张皓
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/20