专利名称：光通信收发机和用于收发数据的方法
技术领域：
本发明总体涉及发光二极管(LED)，更具体地涉及用于双向光通信的LED。
背景技术：
发光二极管(LED)价格便宜并且被广泛地用作光源。它们的各种应用包含数字显示、闪光灯、液晶背光灯、交通工具刹车灯、交通信号、背光灯，以及几乎在每个电子设备和现代电器上普遍使用的加电指示器灯。
因为LED最经常地是用作光发射器，很容易忘记它们还可以用作光电二极管，即光检测器。尽管多数LED被设计为光发射器，而不是光检测器，所有LED可以有效地工作于这两种模式中。
固态光发射和光检测之间的可互换性在20世纪70年代第一次得到了描述，但是从此以后这一点就在很大程度上被LED用户所忘记，见Mims所写的“硅连接电子领域时代的到来(SiliconnectionsComing of Age in the Electronic Era)”，McGraw-Hill，New York，NY，1986，以及Mims所写的“LED电路和工程(LED Circuits andProjects)”Howard W.Same and Co.，Inc.，New York，NY，1973。
当小电流以正确的方向施加于二极管上时，即具有正向偏压时，发光二极管发射出位于一个相当窄的频段之内的光。因为电流-电压特性为指数，难以对直接施加在LED上的电压进行足够准确的控制来获得想要得到的电流。
因此，必须提供某些装置来限制电流。在离散电子系统中，这典型地是通过与LED串联放置一个电阻来完成的。因为多数微处理器I/O管脚所能吸收的电流比它们所能输出的电流要大，因此图1中所示的配置是通过微处理器或微控制器驱动LED的最常用的方法。
图1显示了一种典型的现有技术LED发射器电路100。微处理器100的一个I/O管脚101被用于通过使用用来限制电流量的电阻103吸收流过LED 102的电流。
使用LED的一个重要应用是光信号通信。在多数现有技术光通信应用中，LED被用于发射机中，并且光电二极管被用于接收机中。另外，每个器件典型地被特殊设计的电路单独驱动。光电二极管通常被专门设计来接收在特定的窄频率范围内的光信号。多数光电二极管不能发光。因此，有一个驱动发射机的电路，以及另一个用于驱动接收机的电路。这增加了通信系统的成本和复杂度。
因此，希望提供一种可以在光通信系统中既被用作发射机又被用作接收机的发光二极管。
发明内容
一种包含与电阻串联连接的LED的光通信收发机。微处理器至少有一个I/O管脚与该LED相连。在第一模式或发送模式中，LED被以正向偏压周期性地驱动来发射光从而发送数据。在第二模式或接收模式中，LED不被以负向偏压(例如负向偏压或零偏压)周期性地驱动并且然后被允许使用光电流来改变LED结的电容的电荷。使用定时器来测量电荷的变化。当电荷的变化超过一个预先确定的阈值的时候，输入光得到感应。这样，在第二模式中LED可以被用来接收数据。
图1是现有技术光发射器电路的示意图；图2是根据本发明的LED发射器/检测器电路的示意图；图3a-c分别显示了以正向偏压、非正向偏压，以及放电模式这三种模式工作的图2的电路。
图4显示了在通信网络中连接的多个基于LED的收发机；图5显示了根据本发明的LED发射器/检测器电路的一种替换实施例的示意图，该替换的实施例使用单个I/O管脚；以及图6显示了两个收发机通过双凸透镜交换经光学调制的数据。
具体实施例方式
双管脚LED数据收发机图2显示了根据本发明的LED发射器/检测器电路。这里，LED 202和电阻203串联连接在微处理器或微控制器200的两个I/O管脚201之间。现在LED/电阻电路202-203的两端都连接到微处理器200。使用常规的编程技术，I/O管脚可被设为低(0V)，高(5V)，或者该管脚被用作输入。
工作模式图3a-c显示了这种电路是如何分别工作在正向偏压或“光“、非正向偏压或“负向偏压”，以及“放电”或感应这三种模式中。在图3a的光模式中，LED按照传统的方式工作并且发射光。所发射的光可以受到调制来发送数据。在图3b的负向偏压模式中，正常的发射极性被转换到使二极管的结受到反向偏压。然后通过释放图3c的放电模式中的一端，即，将该端设为到微处理器的输入，光生光电流可以按照与接收到或感应到的光的量成比例的速率光学地使结放电。如果感应到的光受到调制，那么数据可以得到接收。电容放电可容易地得到测量。因为Q＝CV，并且C是已知的，测量电荷的变化实际上就是测量电压的变化。
在某些时刻，输入管脚上的电压超过预先确定的输入阈值T。通过记时这所占用的时间，可以获得感应光电平的高分辨率测量。该时间测量可以简单地通过微处理器200中的计数器210或时钟信号来完成。例如，一个可选地增加计数器210并且直到超过该阈值T的小程序循环。
根据本发明的电路不需要附加的器件，并且在感应期间只吸收极小的能量。通过在发射和感应模式之间切换，LED可以在光通信网络中作为发射机和接收机(收发机)进行工作。
图4显示了由光链路403连接的两个这样的收发机401-402。该链路403可以为任意透明介质，例如空气或者光纤光缆。
单管脚LED收发机令人惊奇的是，还有可能如图5中所示的那样，仅通过使用微处理器的单个I/O管脚来构建单个的LED收发机。
如图5中所示，微处理器或微控制器500具有一个连接到LED 502的输入的I/O管脚501，并且该LED的输出连接到电流限制电阻503。在这种电路中，不可能使LED 502如上述的图2的电路那样负向偏压。相反地，通过设I/O管脚501为低，LED被短路为零偏压。
然后，管脚501被设为输入，在感应到入射光引起的光电流的时候它对LED结电容进行充电。这个过程一直持续，直到跨LED的电压使得结受到了足够的正向偏压来有效地把LED内的所有光电流都用尽。如果使得该电压超过一个预先确定的数字输入阈值，可以采用与上述同样的基本定时技术来接收数据。
但是，这是一个困难的限制。标准红、绿、橙和黄LED典型地在1.5V到2V附近“打开”，这通常低于5V系统的数字输入阈值，这种5V系统例如微处理器500。但是，蓝LED，以及一些比较新的高亮度LED可以具有大约3V的正向压降，这一压降足够高来允许充电超过输入阈值。低电压系统，如3V系统或更低的电压系统，具有较低的输入阈值，所以它们更容易受这种技术的影响。
另外，图5中的电路通常优于图2中的电路，这是因为与电源VDD相比，阈值通常被偏置为更加接近地。应该注意到，当如图1中所示那样电阻连接到I/O管脚501的时候，单个管脚的形式可以工作在负向偏压模式中。
该管脚收发机的优势在于被微处理器单个管脚驱动的任何适用的LED指示器(这样的例子有很多)现在也可以通过简单地改变固件或软件来按上述方式作为收发机进行工作。不需要对硬件做出改变。因此，通过软件变化就可以容易地使标准LED指示器升级为还可以作为收发机。这种实施例还适用于其中I/O管脚的数量受限的系统。
双向通信在一种通信应用中，两个非同步的收发机彼此间锁相并且双向交换脉宽调制数据。在这种协议中，两个接收机轮流工作于发射和接收模式，并且一个相对较短的光脉冲指示0或空号状态，并且一个相对较长的光脉冲指示1或标记状态。
空载循环这种协议开始于空载循环，此时收发机执行空载循环。在这种空载循环中，收发机发送后面跟有4毫秒接收周期的1毫秒光脉冲。在接收周期期间，收发机执行多次光测量。这些光测量仅提供1比特的分辨率，即无论入射光通量高于或是低于一个预先确定的阈值，标称约为1.5V。
同步循环空载循环一直持续，直到至少连续两个测量时间指示“见到光”。此时，收发机假设检测到了来自另一个收发机的光入射脉冲，并且从空载循环状态切换到稍微快一些的同步循环。在同步循环期间，发射的光脉冲仍然为1毫秒“开”，但是其后跟有可变数量的光测量。当在同步循环中的时候，微处理器在预先确定的数量的测量之后或在检测到光脉冲的后沿时中止测量集合。当一对紧邻的测量都指示“见到光”后面跟有10个没有“见到光”的测量时，认为发现了后沿。
因此，同步循环内的执行方式包含一个收发机的LED打开1毫秒，然后是两个LED都关闭的1毫秒周期，随后是另一个收发机的LED打开1毫秒，以及最后是两个LED都关闭1毫秒。即使这两个收发机具有高达25％的时钟频率误差，它们仍然可以同步。标称的同步循环脉冲速率是250Hz，其占空比为25％。
数据通信在通信期间，数据比特按照异步形式进行发送。例如，1毫秒光脉冲指示标记而0.5毫秒光脉冲指示空码。在发射标记比特的时候系统通常是空载的。这里，数据传输循环的操作与同步循环的操作相同。在数据传输期间，格式为至少有16个标记来允许同步，然后一个单个的空码作为开始比特，其后跟有8比特数据，其后跟有一个标记作为停止比特。这与普通的8-N-1 RS-232格式相类似。
为了解码光脉冲，接收收发机对用于每个同步循环的执行的“见到光”测量进行计数。如果计数到7个或更少的见到光测量，那么记录一个空码；如果计数到8个或更多的脉冲，那么记录一个标记。能够执行通常的异步解帧(deframing)，即可以执行丢弃掉前部的空码开始比特和尾部的标记停止比特。然后，该作为结果的8比特数据字对应用级程序来说是可用的。简单的数据通信还可以与误码校正和加密结合使用。其它光通信协议也是可能的。
如在图6中所示的，其中两个收发机601通过双凸透镜602交换经光学调制的数据，以提供电气上隔离的通信链路，可以获得超过1MHz的数据速率。
可编程钥匙根据本发明的收发机还可以被用作可编程钥匙和可编程锁。尽管许多其它的技术被用于智能钥匙，如RFID、卡钥匙等，根据本发明的收发机不需要物理接触，所以没有磨损，这不像在一些卡钥匙系统中那样，而且根据本发明的收发机没有磁条。与RF系统不同，它可以被做成有方向的和短距离的，使得用户对所要解锁的系统具有完全的控制。这允许单个钥匙可以用于多个不同的锁，而不会出现只是因为锁在附近而对该错误的锁进行了解锁。因为收发机固有地为双向的，可以使用询问和响应以及加密协议，这可以使得钥匙非常难被复制或骗得。LED的可见特征考允许一些用户接口。至少，用户可以轻易地判断出收发机是否在工作或电池是否没电了。另外，当用作钥匙的时候，收发机还可以同时作为闪光灯进行工作。
或许，最有趣的优势在于该收发机可以进行对等通信。任何收发机可以向另一个收发机传递信息或者验证另一个收发机。在这种情况下，收发机可以学会一种解锁码，并且将该码传递到其它收发机。这种传递信息的能力是独一无二的，并且智能卡或RFID标签并不具备这种能力。
验证和安全在一些应用中，传输信息或验证的对等能力是希望的。在其它的应用中，例如金融和其它保密交易，验证与数据传输本身同样重要，并且必须防止不受控制的验证的传递。收发机的可编程特性的一个不好的副作用就是并不能保证另一个收发机将考虑可能由应用程序插入的任何“不要转发”数据标签。不可传递的验证和不可伪造的身份证明是具有很多微妙因素的难题。
但是，简单的加密术是可能的并且可以被用来使得收发机交易不被窃听和骗得。所使用的微处理器具有足够的能力来执行普通对称加密算法。这要求发射机与接收机共享一个密钥，因此任意两个收发机之间的通信事先得到配置。收发机可以配备有足够的存储器来容纳许多对称加密密钥并且因此可被设置为可以与多个其它的收发机通信。
零知识检验零知识检验(ZKP)和公共密钥(或者非对称)加密法使得收发机可以安全地证明它的身份并且与可以访问公开的信息的任意收发机进行通信，见Schneier所写的“应用加密术(Applied Cryptography)”第二版，John Wiley and Sons，New York，NY，1996，pp.101-111。并不需要共享的秘密。
使用根据本发明的收发机，可将任何LED容易地转换为通信收发机。这具有广泛的应用，因为LED在基于微处理器的收发机中被广泛用作加电指示器。指示器通常并不直接通过电线与电源相连，但是通过微处理器连接到电源，可以得到最小的用户界面，如某些闪烁。
接下来是可以使用根据本发明的LED收发机的一些应用。
可以闪烁其电源灯来指示低能量“睡眠”状态的CRT监视器。较新的CRT监视器通常配备有USB，都是用来控制监视器设置。加入根据本发明的收发机电路可以提供从电源LED到附近的计算机的完整的数据通路，允许收发机被用作钥匙，如上述那样。这可以被用来替代口令来登录计算机或者与口令一起使用来登录计算机，或者这可以被用作用于电子商务的加密授权收发机。一种类似的技术可以与键盘指示器灯一起使用。
使用收发机，用户可以通过为LED通电复制发生故障电器的全面诊断状态，并且将该诊断信息传输到服务站点。该电器上不需要有特殊的显示器或连接器。
通过使用蜂窝电话、PDA等的电源指示器或LED背光灯，收发机可以被用来交换电话号码或其它个人信息。一个有趣的应用是将收发机嵌入到玩具中，如填充动物中，使得这些玩具可以互相“通信”。
尽管已经通过优选实施例的示例对本发明进行了描述，但可以理解可以在本发明的精神和领域内做出各种其它的改变和修改。因此，所附的权利要求的目的是涵盖在本发明的真正精神和范围之内的所有变化和修改。
权利要求
1.一种光通信收发机，包含用于以正向偏压周期性地驱动LED来发射光从而发送数据的装置；以及用于不以正向偏压周期性地驱动LED的装置，以及随后用于在不以正向偏压驱动LED后光学地改变LED的电容的电荷来测量光的电平从而接收数据的装置。
2.权利要求1的收发机，其中该LED以负向偏压驱动并且然后用光电流进行电容放电来测量光的电平。
3.权利要求1的收发机，其中该LED以零偏压驱动并且然后用光电流进行电容充电来测量光的电平。
4.权利要求1的收发机，进一步包含多个通过透明介质连接的收发机。
5.权利要求1的收发机，进一步包含锁相装置，用于使收发机与另一个收发机同步。
6.权利要求1的收发机，其中第一收发机嵌入到可编程钥匙中，以及第二收发机嵌入到可编程锁中。
7.权利要求1的收发机，其中LED在发射光的时候，另外作为通电指示器进行工作。
8.权利要求1的收发机，其中LED在发射光的时候，作为闪光灯进行工作。
9.权利要求1的收发机，其中LED嵌入到电器中。
10.权利要求1的收发机，其中LED嵌入到玩具中。
11.一种光通信收发机，包含与电阻串联连接的LED；微处理器，具有连接到所述LED的第一I/O管脚和连接到所述电阻的第二I/O管脚；用于以正向偏压周期性地驱动所述LED来发射光从而发送数据的装置；用于以负向偏压周期性地驱动所述LED的装置；以及用于在以负向偏压驱动所述LED后光学地使LED放电来测量光的电平从而接收数据的装置。
12.一种光通信收发机，包含与电阻串联连接的LED；微处理器，具有连接到所述LED的I/O管脚和连接到所述电阻的地；用于通过设定该I/O管脚为高以正向偏压周期性地驱动LED来发射光从而发送数据的装置；用于通过设定该I/O管脚为低以零偏压周期性地驱动LED，并且然后设定该I/O管脚为输入来光学地对LED进行充电的装置；以及用于测量光的电平来接收数据的装置。
13.一种光通信收发机，包含与电阻串联连接的LED；微处理器，具有连接到所述电阻的I/O管脚和连接到所述LED的地；用于通过设定该I/O管脚为高以正向偏压周期性地驱动LED来发射光从而发送数据的装置；用于通过设定该I/O管脚为低以零偏压周期性地驱动LED，并且然后设定该I/O管脚为输入光学地对LED进行充电的装置；以及用于测量光的电平来接收数据的装置。
14.一种用于收发数据的方法，包含以正向偏压周期性地驱动LED来发射光从而发送数据；不以正向偏压周期性地驱动LED，以及在不以正向偏压驱动LED后光学地改变LED的电容的电荷；测量充电的电平来测量光从而接收数据。
全文摘要
一种包含与电阻串联连接的LED的光通信收发机。微处理器有一个I/O管脚与该LED相连。在第一模式或发射模式中，LED被以正向偏压周期性地驱动来发射光从而发送数据。在第二模式或接收模式中，LED不被以负向偏压例如负向偏压或零偏压周期性地驱动。然后，LED被允许使用光电流来改变LED结的电容的电荷。使用定时器来测量电荷的变化。当电荷的变化超过一个预先确定的阈值的时候，输入光得到感应。这样，在第二模式中LED可以被用来接收数据。
文档编号H04B10/43GK1515090SQ0380037
公开日2004年7月21日 申请日期2003年3月28日 优先权日2002年4月3日
发明者P·H·迪茨, P H 迪茨, W·S·耶拉祖尼斯, 耶拉祖尼斯, D·L·利, 利, G·范努西 申请人:三菱电机株式会社