Cụng việc thiết kế chia thành hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Thiết kế module phỏt quang với tốc độ nhỏ nhất 100 Mbps và cú thể truyền với cự ly vài met đến vài chục một.
Giai đoạn 2: Xõy dựng hệ thống thấu kớnh (tận dụng cỏc mắt của Webcam). Hệ thống thấu kớnh hội tụ ỏnh sỏng ở mạch phỏt để truyền với hiệu suất cao nhất.
Hệ thống thấu kớnh ở mạch thu để thu được ỏnh sỏng từ mọi hướng. Sau khi tớn hiệu điện qua mạch điều chế LED chuyển thành tớn quang sẽ được truyền đi bằng LED phỏt quang. Vấn đề cần nghiờn cứu là do cụng suất phỏt xạ truyền bởi LED thấp hơn nhiều so với Laser và gúc mở ỏnh sỏng lớn nờn việc truyền thụng tin đến PIN với tốc độ lớn sẽ rất khú khăn. Do đú việc sử dụng thấu kớnh để hội tụ chựm tia sỏng là rất cần thiết để cho phộp truyền dữ liệu tốc độ cao và hiệu suất lớn. Cỏc thấu kớnh được lắp đặt và kết nối giữa đầu phỏt và đầu thu được minh họa theo hỡnh vẽ sau:
Hỡnh 4-1 Sử dụng thấu kớnh cho hệ thống VLC
Hỡnh 4-2 Mắt Webcam dựng làm thấu kớnh
4.3. Thiết kế hệ thống phỏt
Sơđồ khối của hệ thống phỏt :
Hỡnh 4 – 3 Sơđồ khối mạch phỏt
Sơ đồ bao gồm ba thành phần cần phải thiết kế và lựa chọn là nguồn sỏng LED, mạch điều chế LED và thấu kớnh quang học.
Dữ liệu được truyền từ modem Internet qua cổng RJ45 để đi vào mạch phỏt. Mạch điều chế LED với cỏc linh kiện tớch hợp và rời rạc để thực hiện chức năng biến đổi tớn hiệu điện thành quang. Cuối cựng nguồn sỏng nhờ sự điều khiển của mạch điều khiển LED sẽ bật tắt tạo thành xung ỏnh sỏng truyền đến đầu thu.
Module thu cú một thấu kớnh để hội tụ nguồn quang để truyền với mật độ ỏnh sỏng cao nhất và hiệu suất phỏt là cao nhất.
4.3.1. Nguồn sỏng
Khi thiết kế mạch phỏt quang, bước đầu tiờn là quyết định việc lựa chọn nguồn sỏng. Để xỏc định nguồn sỏng tốt nhất cho hệ thống, cỏc nguồn cú sẵn trờn thị trường phải được so sỏnh dựa trờn mục tiờu của hệ thống.
Với quyết định sử dụng LED làm phương thức truyền dẫn thỡ cần phải lựa chọn cỏc đặc điểm cần thiết của LED. Với mục tiờu là truyền tớn hiệu với tốc độ nhanh nhất cú thể, ta cần xỏc định cụng suất tớn hiệu quang tối đa ở 470 nm. Điều này dẫn đến việc lựa chọn LED siờu sỏng hay là sử dụng LED dóy. Trờn thị trường hiện nay cú thể tỡm thấy rất nhiều loại LED xanh (~470 nm). Bảng dưới đõy sẽ biểu diễn sự so sỏnh cỏc loại LED xanh cụng suất cao trờn thị trường. Ta cú thể nhận thấy LED cụng suất cao cú thể sinh ra thụng lượng sỏng từ 30 - 60 lumen. Tuy nhiờn cụng nghệ LED xanh chưa thực sự tiến bộ nờn vẫn hạn chế thụng lượng đầu ra. Dựa vào bảng ta lựa chọn LED Luxeon Rebel LXML - PB01 - 0023 bước súng 460 - 490 nm và quang thụng 48 lumen.
Bảng 4.2 So sỏnh cỏc nguồn led trờn thị trường
Loại LED và nhà sản xuất Bước súng Quang thụng
AOP LED Corp PU-5WAS 455-475 54
Luxeon Rebel LXML-PBO1-0023 460-490 48 Kingbright AAD1-9090QB11ZC/3 460 35.7
Ligitek LGLB-313E 460-475 30.6
Toshiba TL12B01(T30) 460 6
Lumex SML-LX1610USBC 470 5
Typical(not high-power) LED 470 < 1
High Powered Amber LED(26) 590 130
4.3.2. Mạch điều khiển LED
Khi đó xỏc định xong nguồn sỏng, bước tiếp theo là thiết kế cỏch điều chế tớn hiệu điện thành quang rồi truyền thành dũng dữ liệu nhị phõn. Khi LED là thiết bị điều khiển dũng (đầu ra của nú phụ thuộc vào dũng cấp), nguồn cụng suất dũng khụng đổi là lý tưởng để cú hiệu suất cao nhất. Mạch điều khiển LED tốc độ cao trở nờn nổi tiếng trong cụng nghiệp IC số để tăng tốc độ truyền dữ liệu. Vỡ cú một số sự cõn bằng giữa tốc độ chuyển đổi và cường độ ỏnh sỏng nờn gõy trở ngại cho việc thiết kế một số ứng dụng. Đồ ỏn tập trung vào IC điều khiển LED tốc độ cao cỏc ứng dụng thương mại, cỏch cụng nghệ mới này hoạt động và phần cứng cần để thực hiện IC điều khiển.
Trờn thị trường nước ngoài hiện đang cú một số loại IC điều khiển LED của hóng Motorola như dũng MC2042 hay hóng MAXIM như MAX3967A, MAX326… Từ đú, ta sẽ cú nhiều phương ỏn để thiết kế mạch như sau:
4.3.2.1. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MAXIM3967A [23]
Tớnh năng điều khiển của LED là điều khiển điện ỏp qua điụt và điều khiển điụt thụng hay khụng. LED bật khi phõn cực thuận lớn hơn điện ỏp và điot bắt đầu truyền ỏnh sỏng. Mạch điều khiển phải được thiết kế để tạo ra điện ỏp đủ lớn để điụt sẽ đạt cường độ mong muốn. Khi mạch điều khiển chuyển LED sang trạng thỏi tắt thỡ điện ỏp nờn điều chỉnh điot làm việc chớnh xỏc vỡ phải mất một khoảng thời gian để thụng điụt một lần.
Mạch điều khiển shunt đặt cỏc LED song song với đầu ra mạch điều chế. Mạch phải được thiết kế khộo lộo vỡ cỏc mạch điều khiển LED cũ cú điụt ghộp thành chuỗi và thời gian bật, tắt của tớn hiệu sẽ nhanh hơn nhiều. Đầu ra của mạch điều chế bao gồm cỏc transistor chuyển đổi tốc độ cao. Cỏc hạt mang nối với nhau trong chuyển tiếp của điụt sẽ được quột nhanh chúng qua kết nối shunt đến cỏc điện trở. Thực tế điot sẽ bật nếu điện trở ngừng dẫn điện và ngược lại. Mạch điều khiển shunt được đi kốm cựng với mạch AC coupling bao gồm điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Mạch được sử dụng để tăng độ bảo toàn tớn hiệu, giảm sự chập chờn, và giảm tỉ lệ tắt.
Sơ đồ nguyờn lý của mạch phỏt sử dụng MAX3967A như sau: (xem trang sau) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mạch gồm cỏc khối như sau:
i. Khối nguồn
Tương tự như nguồn thiết kế mạch dựng MC2042, nguồn của mạch dựng MAX3967A cũng là nguồn 5V cấp cho IC điều khiển LED, LED và cỏc linh kiện được ổn ỏp từ nguồn cấp Acquy 7.2V hoặc Adapter 9V. Cỏc tụ và cuộn dõy đi kốm theo cú tỏc dụng chống nhiễu cho nguồn cấp.
ii. Khối điều khiển LED
Thành phần quan trọng nhất là IC điều khiển LED MAX3967A.
Giới thiệu chung
MAX3967A là driver LED cú thể lập trỡnh dựng cho bộ phỏt quang hoạt động ở tốc độ lờn đến 270 Mbps. Module chứa mạch điều khiển dũng tốc độ cao sẽ điều chỉnh cho điện ỏp LED phõn cực trước. Mạch chấp nhận đầu vào dữ liệu chuẩn PECL, và hoạt động với nguồn đơn từ 2.97 V đến 5 V.
Maxim thiết kế IC driver LED tốc độ cao 155 Mbps và thời gian tắt chậm hơn thời gian lờn. Điều này phụ thuộc vào sự thay đổi điện trở động trong điụt điều khiển dũng. Đồ thị mắt cho MAX3967A biểu thị tớn hiệu khỏ tốt với suy giảm nhỏ nhất, nhưng nếu tăng tốc độ thỡ gắn liền với cỏc vấn đề điện trở động.
Cỏc thụng số kỹ thuật của MAX3967A
- Nguồn cấp là nguồn đơn từ + 2.95 V đến + 5.5 V. - Gồm 24 chõn (thuộc loại linh kiện dỏn).
- IC cung cấp dũng điều chế 100mA.
Hỡnh 4 -7 Hỡnh minh họa MAX3967A [25] Sơđồ khối bờn trong của MAX3967A[25]
Đầu tiờn là khối tạo và điều chế dũng, cung cấp điều khiển biờn độ dũng điều chế. Biờn độ này được xỏc định bởi điện ỏp ở chõn MODFET và điện trở ngoài R của MODFET. Hơn nữa khụng kết nối tụ ký sinh ở chõn MODFET vỡ tụ ở chõn này
làm tăng nhiễu đầu ra tần số cao. Chõn MON cung cấp giao diện điều chế quang, dũng điện từ chõn MON bằng 1/96 lần dũng điều chế. Nếu sử dụng, chõn này nờn nối với VEE qua một điện trở sao cho điện ỏp qua MON khụng quỏ 1.1 V.
Thứ hai là bộ tạo dũng trước phõn cực. Điện ỏp trước phõn cực cú thể được ỏp dụng để cải thiện tốc độ thay đổi của LED. Bộ tạo dũng này tạo dũng điện chảy qua điện trở 78Ω ở tầng đầu ra, tạo điện ỏp trước phõn cực. Điện ỏp này cú thể điều chỉnh được bằng cỏch lựa chọn nối cỏc chõn PB1, PB2, PB3 đến VEE.
Thứ 3 là khối điều khiển điện ỏp ra làm cho dũng điều chế thay đổi và khuếch đại bởi tầng đầu ra. MAX3967A cú mạch bự bờn trong gồm 35 Ω và 12 pF. Mạch bự này cú thể thờm cỏc linh kiện ở giữa VCCOUT và OUT+Diodevà điện trở 5 V nối tiếp với đầu ra õm OUT- để giả làm tải LED ở OUT+.
Dũng đỉnh do điện trở tiền phõn cực cung cấp để cải thiện tốc độ thay đổi của LED, được tớnh theo cụng thức sau:
Ω − = 78 PREBIAS LED peak V V I Cỏch xỏc định cỏc linh kiện Chọn R1, R2 như hỡnh vẽ sau + R1 = R2 = 68 Ω + R3 = R4 = 180 với Vcc = 5 V + Tớnh điện trở ở chõn MON Từ đú: I Iđ c 1.1mA 96 100 96 1 / 7 = = ≈ Hỡnh 4 - 9 Cỏch mắc đầu vào MAX3967A
Ω = = − K R 1 10 . 1 , 1 1 , 1 3 7 + Tớnh Ipeak Với : VPREBIAS =0.4V V VLED =1.5 (ở nhiệt độ 250 C) Suy ra: 0.014 78 4 . 0 5 . 1 − = = peak I
Từ đú ta sẽ tớnh được biờn độ tớn hiệu đầu ra của dũng điện đi vào LED. Mạch in sau khi vẽ bằng phần mềm Proteus:
Hỡnh 4 - 11 Mạch in mặt dưới
Mạch thật sẽ cú hỡnh dạng như sau:
4.3.2.2. Mạch điều khiển sử dụng IC điều khiển LED MC 2042
Mạch gồm ba khối như sơ đồ nguyờn lý sau :
i. Khối nguồn 5V
Nguồn 5V cấp cho IC điều khiển LED, LED và cỏc linh kiện được ổn ỏp từ nguồn cấp Acquy 7.2V hoặc Adapter 9V. Cỏc tụ và cuộn dõy đi kốm theo cú tỏc dụng chống nhiễu cho nguồn cấp.
Hỡnh 4 - 14 Mạch nguồn 5 V
ii. Khối điều khiển LED
MC2042 là IC loại CMOS được thiết kế cho cỏc mạch điều khiển trong hệ thống sợi quang giỏ thấp, phụ thuộc vào LED sử dụng, tốc độ dữ liệu cú thể đạt được trờn 300 Mbps và cú cỏc đặc điểm sau:
- Gồm 16 chõn (loại chõn QSOP16). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Hỗ trợ hầu hết cỏc loại LED (từ 600 đến 1300 nm) - Hoạt động ở điện ỏp đơn + 5V đến +3.3V.
Hỡnh 4 - 16 Cỏc khối bờn trong MC2042[23]
Bờn trong MC2042 gồm cú bốn khối chớnh.
Đầu tiờn là khối tạo điện ỏp VREF khụng sử dụng, chõn đầu ra VREF khụng dựng đến vỡ chỉ cho phộp dữ liệu là đơn (bất đối xứng) vào MC2042 nờn chỉ tương thớch với tốc độ thấp và phự hợp với chuẩn cụng nghiệp FO.
Khối thứ hai là khối tạo xung dữ liệu đầu vào. Dữ liệu vi phõn trờn cỏc chõn đầu vào PECL ( Positive ECL) được tạo bởi điện ỏp vi phõn trờn cỏc chõn PWA (Pulse Width Adjust- điều chỉnh độ rộng xung). Độ rộng xung đầu vào cú thể điều chỉnh dựa trờn ứng dụng đến chuyển mạch LED. Điện ỏp vi phõn tạo ra xung đầu vào dao động ở khoảng từ 500 ps đến -500 ps dựa theo cụng thức :
Với:
• k = 500 ± 100 và VPWA =VPWA+ +VPWA−
• VPWA+ =VPWA− =0,6.VDD
• Trở khỏng vào là 3.6 kΩ.
Sự điều chỉnh cú thể được thực hiện bằng cỏch giảm điện trở ở chõn PWA+ hoặc PWA -.
Khối thứ ba là khối chuyển dũng và điều khiển ngưỡng. Dữ liệu vi phõn PECL trờn cỏc chõn dữ liệu đầu vào điều khiển dũng LED. Dũng LED chảy hoặc qua LED hoặc qua tải ảo để tối thiểu nhiễu của Vdd. Để giảm thời gian tắt của LED thỡ LED ngay lập tức ngắn mạch qua Vdd2 trước khi dũng nối với tải ảo. Để cải thiện thời gian LED bật thỡ cần phải điều khiển ngưỡng. Hai linh kiện ngoài (R4, C1) dựng để thực hiện chức năng này. Khi đốn LED bật, điện ỏp ở đỉnh (PEAK) bị hạ thấp rất nhanh. Điện ỏp này đi qua R4, C1 và tạo ra một dũng điện ngắn cú hướng ngược lại với LED. Dũng điện này và sự suy giảm (decay) của RC được tớnh theo cụng thức sau:
• Peak current (Amps): 4/(R4 + 5)
• Decay (seconds): C1(R4 + 5)
Cỏc cụng thức trờn giả thiết cho LED lý tưởng với điện trở là 0 Ω. Thực tế giỏ trị điển hỡnh sẽ là R4 = 50, C1 = 20 pF.
Cuối cựng là khối nhận dũng cú thể lõp trỡnh lập trỡnh, dựng để thiết lập dũng LED điều khiển cà điều chỉnh nhiệt độ. Trong MC2042, khụng cú chõn nào cú thể ngắt dũng điều khiển LED nhưng cú thể thực hiện được việc này bằng cỏch ngắt dũng bờn ngoài chõn RTSET. Dũng LED xấp xỉ bằng 100 lần dũng ngoài chõn RTSET, do đú nếu dũng ngoài chõn RTSET bằng 0 thỡ dũng điều khiển LED cũng bằng 0. Hai điện trở R1, R2 thiết lập dũng điều khiển LED và bự nhiệt. Dũng chảy ra từ RTSET xỏc định dũng điều khiển LED, R1 thiết lập dũng điều khiển LED cũn R2 điều khiển nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện ỏp trờn điot giảm, dũng chảy quan R2 tăng và dũng điều khiển LED cũng tăng. Nếu MC2042 khụng cú chức năng bự nhiệt cho LED thỡ cú thể sử dụng diot ngoài để thực hiện chức năng này.
Cỏc thụng số quan trọng :
Bảng 4.3 Cỏc thụng số kỹ thuật của MC 2042 [23]
Cỏch tớnh cỏc linh kiện
Với nhiệt độ phũng là 250 C ta cú thể tớnh được:
• Dũng điều khiển LED ở TA = 250C là : 70 mA
• Điện ỏp thuận của LED là 1.5 V
Hỡnh 4 - 17 Biểu đồ dũng điều khiển LED theo nhiệt độ[4]
• R1 (giữa RTSET và GND) = 14.48 kΩ
• Tải ảo của RLED = 21 Ω
• ISET1=116àA
• ISET2 =235àA
• vSET1 =1.7V
• vSET2 =1.2V
• Idrive= 76.5mA nếu VCC= 5V
Bảng 4. 4 Cỏc giỏ trị linh kiện trong mạch[23] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
DRIVER MC2042 R1 1 R2 unused R3 50 R4 50 R5 opt. R6 opt. R7 opt. R8 opt. R9 opt. R10 opt. R11 1K R12 22 R13 50 VR1 50K VR2 50K VR3 10K VR4 50K C1 100nF C2 100nF C3 10nF C4 10nF C5 10nF C6 20pF C7 22pF C8 10nF
C9 10nF C10 10nF C11 10nF C12 10nF C13 10nF L1 47uH L2 47uH
Sử dụng chương trỡnh mụ phỏng và thiết kế mạch Proteus ta cú mạch in hai lớp như sau:
Hỡnh dạng mạch thực tế như sau:
Hỡnh 4 - 20 Hỡnh minh họa mạch thực tế