ВИКОРИСТАННЯ RGB СВІТЛОДІОДІВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ



ДРЕВАЛЬ О.Л., ДОРОШЕНКО А.Ю. Метою дослідження є отримання практичного підтвердження можливості передачі даних по оптичному каналу з використанням широкорозповсюджених RGB світлодіодів. Розглянуто особливості світлодіодів при використанні їх для передачі даних, запропоновано протоколи канального рівня для використання разом зі світлодіодами.

УДК 004.71

The purpose of the research is to confirm the possibility of the data transmission via optical channel using widespread RGB LEDs. There analyzed LED's specifics when they are used as data transmitters/receivers, some data link layer protocols are proposed to be usedin optical channels with LEDs.

Вступ

В наш час галузь мікроелектроніки швидко розвивається. Широко розповсюджені методи передачі інформації за допомогою високочастотних електромагнітних коливань, у тому числі світла (ближній ІЧ діапазон). Передача даних за допомогою світла має такі переваги, як висока швидкість передачі даних, висока завадостійкість та відсутність гальванічного зв'язку між передавачем та приймачем. Остання особливість широко використовується при побудові джерел живлення та іншого обладнання, де гальванічних зв'язок недопустимий.

У масовому вжитку широко застосовуються оптопари, інфрачервоні лазери з оптично-волоконним каналом, іноді для передачі даних використовуються лазерні діоди у відкритому середовищі. Використання лазерних діодів призводить до істотного збільшення собівартості виробу і фактично унеможливлює дуплексну передачу даних по одному оптичному каналу по причині необхідності суттєвого ускладнення конструкції трансмітера та явища внутрішнього відображення [1]. Використання оптопар із закритим каналом не дозволяє використовувати усі переваги оптичного каналу, оскільки немає можливості організувати дуплексний зв'язок. Розглянута у роботі можливість передачі даних за допомогою RGB світлодіодів поєднує у собі переваги оптопари та оптично-волоконної лінії.

Огляд існуючих рішень

Для швидкісної гальванічно-ізольованої передачі даних використовуються магнітоелектричні розв'язки, оптично-волоконні лінії, радіопередавальні пристрої та оптичні розв'язки (оптопари).

Використання оптичної або магнітоелектричної розв'язки дозволяє позбутись гальванічного зв'язку між передавачем та приймачем, у першому випадку середовищем передачі даних слугує вбудований оптичний канал оптопари, у другому — осердя трансформатора. У обох вищевказаних випадках передавач, приймач та лінія зв'язку являють собою один пристрій, що не дозволяє встановлювати довільну довжину лінії зв'язку. Перевагами цього є малий розмір пристроїв, недоліками — значна електрична ємність між обладнанням передавальної та приймальної частини, також чутливість до електромагнітних завад у випадку збільшення довжини каналу зв'язку нарощуванням підводних електричних провідників.

Використання оптично-волоконної лінії вимагає застосування дорогих трансмітерів та супутнього обладнання (самі оптичні волокна, з'єднувачі, ізоляція та ін.), для встановлення дуплексного каналу зв'язку необхідні щонайменше дві фізичні лінії передачі. Застосування радіопередавальних пристроїв у якості гальванічної розв'язки при передачі даних майже не використовується, оскільки це вимагає встановлення дорогого обладнання, накладає обмеження на пропускну здатність, пов'язану з вибором ширини каналу, виступає як додаткове джерело електромагнітних завад, у той же час будучи завадочутливим.

Розробка концепції

RGB світлодіоди в наш час широко розповсюджені та використовуються для створення телевізійних панелей, декоративного освітлення та індикації. Кожен RGB світлодіод містить 3 близько розташовані світлодіоди, що випромінюють на довжинах хвилі 475 нм, 535 нм, 650 нм. Така конструктивна особливість може бути використана для передачі сигналів на трьох різних частотах (частотне розділення каналу зв'язку).

У якості лінії для передачі сигналів може бути використана широко розповсюджена акрилова трубка, що використовується у декоративному освітленні, але значно дешевша ніж оптичне волокно, хоча не забезпечує передачу даних на великі відстані (у порівнянні —сотні кілометрів для одномодового оптичного волокна з десятками метрів для акрилових трубок[2]).

У деяких випадках — при відсутності сильного фонового освітлення та при наявності прямої видимості у якості середовища розповсюдження сигналу може бути використано повітря, що накладає певні додаткові вимоги до приймача — підвищення чутливості до інформаційних сигналів, і водночас нечутливість до фонового освітлення.

Ключовим фактором можливості встановлення дуплексного зв'язку з використанням RGB світлодіодів стало явище фотоефекту, що спостерігається на кристалах світлодіоду при його опроміненні. При цьому кожен з кристалів має власний пік чутливості, що дозволяє розрізняти частоти світла, якими опромінюється світлодіод.

Дослідження фотоефекту у світлодіоді

Для експериментального визначення піку чутливості кристалів було зібрано стенд, що має джерело у вигляді RGB світлодіоду і приймач у вигляді такого самого світлодіоду з підсилювачем. Отримані значення ЕРС для кожного з кристалів при опроміненні світлом різних довжин хвилі та різної інтенсивності нанесені на графіки (рис. 1 а, б, в).

Рис. 1. Залежність ЕРС фотоефекту від інтенсивності випромінювання

Результати експерименту показують різний характер чутливості кристалів при опроміненні джерелом на довжинах хвилі 475 нм, 535 нм, 650 нм відповідно.

Можливості застосування

Використовуючи різні піки чутливості кристалів до випромінювання, можна реалізувати частотне розділення у каналі зв'язку, що дозволяє як використовувати його для повнодуплексної передачі даних, так і виділити окремі лінії для синхронізації (SPI, I2C, тощо), або застосувати трійковий канальний код (наприклад, MLT3). RGB світлодіоди можуть застосовуватися для передачі даних у блоках живлення, портативній електроніці, автомобілебудуванні, де є потреба рознесення оптичного каналу у просторі на невелику відстань.

Перелік посилань

  1. Бигелоу С.Д., Виндер С., Карр Д.Д. Энциклопедия телефонной электроники — М.: ДМК пресс, 2007. — 576с.

  2. Саттаров Д.К., Сафиуллина С.С., Печерская К.П. Затухание излучения в волоконных световодах//Волоконно-оптические линии связи. –М.,1977.
Jun 9, 2016