本实用新型涉及一种用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，属于无线光通信技术领域。
背景技术：
信息化是当今时代发展的大趋势，我们正逐步走进信息化的时代，对信息交换的容量、信息传输实时性、信息传输速率提出了更高的要求。现有的无线电通信技术已越来越满足不了通信事业和人类信息社会飞速发展的需要。无线光通信技术是一种近年来新兴的一种通信技术，其以光为信号载体，可实现语音、图像等数据信息的无线传输，它结合了光纤通信与无线电通信的双重优点，既满足通信容量大、速率高的要求，又免去铺设光纤的复杂过程，在很多领域有着广泛的应用。
现有无线光通信装置应用于飞机、卫星以及船舶等大型平台上，如申请公布号为cn107707297a的一件中国专利申请公开了一项名为“一种航空激光通信系统及其通信方法”的方案，该系统包括：星载系统，包括光端机和电控箱；机载系统，包括光端机、电控箱和用于安装的支架以及套设在整个机载系统外侧的整流罩；地面系统，包括光端机和电控箱；星载系统实现与机载系统以及地面系统的双向激光通信。在体积和重量方面没有特别严格的限制，因此，体积、重量以及能耗均较大，不具有便携性，并不适用于小型移动设备，如手机、平板电脑、笔记本电脑等移动装置。
不过，申请公布号为cn104283611a的另一件中国专利申请提出了一项名为“电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统及方法”的方案。其所称的电子设备包括手机、智能终端、平板电脑、笔记本电脑等，通信速率达到100mbps。可是，该方案仍旧存在下述问题：
1、该方案并未给出光路对准的具体方案。对于无线光通信而言，其通信信号的载体，即光束，由于其束散角非常小，通信光束的照射范围远小于无线电通信中的无线电波的覆盖范围，因此，无线光通信发射与接收的对准成为实现无线光通信需要解决的关键问题之一，否则会带来许多问题，例如通信不稳定、断线甚至是无法通信；另外，该电子设备间近场光无线高速简便交互式通信系统内置于拟实现彼此通信的电子设备中，即光通信系统与拟实现彼此通信的电子设备形成一个整体，电子设备因使用需要移动时，就会破坏光通信系统的对准，需要重新对准，妨碍电子设备的正常使用。
2、该方案采用电子设备内的cpu作为编/解码执行器件。由于电子设备内的cpu原本没有无线光通信编/解码的硬件执行单元，只能采用软件编/解码方式，这样会占用系统资源；若采用fpga作为编/解码执行器件，但是，在现有拟实现彼此通信的电子设备中并无该类fpga模块，只能额外添加，随之而来还会有fpga模块与现有电子设备之间通信协议以及端口的匹配问题。
技术实现要素：
为了实现小型移动电子设备之间的近距离高速率通信，同时不改变现有小型移动电子设备的结构和设置，我们发明了一种用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件。
本发明之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件其特征在于：
由两个相同的组件构成；在每个组件中，如图1所示，usb接口与电源模块、信号转换模块分别相连，电源模块还与信号转换模块、光收发控制模块、人体感应开关模块分别相连，人体感应开关模块还与辅助对准激光二极管相连，辅助对准激光二极管发射的激光为可见光，信号转换模块还与光收发控制模块相连，光收发控制模块还与通信激光二极管、光电二极管分别相连；两个组件中的通信激光二极管发射的激光波长不同；
组件壳体由起落端1、起落杆2、底座3构成，如图2所示，起落杆2分别与起落端1、底座3铰接；起落端1具有面板4，当起落端1升起后，面板4呈垂直状态；起落杆2中空，线缆能够穿过起落杆2；usb接口、电源模块、信号转换模块、光收发控制模块、通信激光二极管、光电二极管、人体感应开关模块位于底座3内；
在接收发送同轴方案中，如图3所示，通信激光二极管5、光电二极管6分别位于滤波器7的透射光路、反射光路上，光纤一端的插芯位于所述透射光路、反射光路的另一端，光纤另一端的插芯位于准直透镜8的焦点处，辅助对准激光二极管9位于辅助对准准直透镜10的焦点处；所述光纤穿过起落杆2，所述光纤另一端的插芯位于起落端1内，准直透镜8位于面板4中部，如图2所示；连接人体感应开关模块、辅助对准激光二极管的导线穿过起落杆2，所述辅助对准激光二极管9位于起落端1内，辅助对准准直透镜10位于面板4一侧，如图2所示；在面板4的另一侧与辅助对准准直透镜10相对于准直透镜8对称的位置布设辅助对准靶标11，如图2所示；
在对准发送同轴方案中，如图4所示，辅助对准激光二极管9、通信激光二极管5位于合束器12一侧，自该侧引出的两根光纤的端部的插芯分别与辅助对准激光二极管9、通信激光二极管5出光方向相对，自合束器12的另一侧引出的光纤的插芯位于辅助对准准直透镜10的焦点处；辅助对准激光二极管9位于底座3内；另一根光纤位于光电二极管6与准直透镜8之间，该光纤一端的插芯位于准直透镜8的焦点处，该光纤另一端的插芯与光电二极管6相对；自合束器12的另一侧引出的光纤以及位于光电二极管6与准直透镜8之间的光纤穿过起落杆2，准直透镜8、辅助准直透镜10位于面板4两侧，如图5所示。
本发明之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件其工作过程如下所述，如图1～图5所示：
将两个组件中的usb接口分别与两个拟彼此通信且已开机的小型移动电子设备的usb接口相连，实现通信数据在组件与小型移动电子设备之间的传输，同时组件自小型移动电子设备取电，并由电源模块向信号转换模块、光收发控制模块、人体感应开关模块供电；
升起起落端1，启动人体感应开关模块，辅助对准激光二极管发射可见光激光，调整两个组件的姿态，当采用接收发送同轴方案时，直到发自两个组件的可见光激光彼此照射到对方的辅助对准靶标11上，当采用对准发送同轴方案时，直到发自两个组件的可见光激光彼此照射到对方的准直透镜8中心，完成两个组件的通信对准；
在通信一方组件内，通信数据由信号转换模块进行格式转换，包括usb接口格式转以太网格式和以太网格式转光纤格式，具有光纤格式的通信数据由光收发控制模块进行并转串转换，驱动通信激光二极管，实现通信数据的调制和电光转换，发射具有某一波长的通信光，当采用接收发送同轴方案时，所述通信光经准直透镜8发射至通信另一方组件，当采用对准发送同轴方案时，所述通信光经辅助对准准直透镜10发射至通信另一方组件；在所述通信另一方组件内，准直透镜8接收并汇聚通信光，再由光纤导入光电二极管，实现通信光的光电转换，还原出电信号，由光收发控制模块进行串转并转换及信号整形，再由信号转换模块进行数据格式还原，获得usb接口格式的通信数据，由usb接口传送给与这一方组件相连的小型移动电子设备；两个组件中的通信激光二极管发射的通信光波长不同，两个组件能够同时进行收发通信。
本发明其技术效果在于，无线光通信组件以外接的方式通过usb接口与拟实现彼此通信的小型移动电子设备连接，实现通信数据的输入、输出，并自小型移动电子设备取电，无需在拟实现彼此通信的小型移动电子设备中增设硬件，通信数据的双向格式转换及并、串双向转换，均由组件中相应模块完成，不占用小型移动电子设备的系统资源，能够快捷实现无线光通信组件的对准，即使拟实现彼此通信的小型移动电子设备有小幅度的空间位置改变，也不会破坏无线光通信组件的对准，在米级通信距离内，以吉比特级的通信速率实现小型移动电子设备的无线光通信；无线光通信组件还具有结构紧凑、易装调、体积小、重量轻、功耗低、易用性强以及使用方法简单等特点，在不使用时，将起落端1落入底座3内，组件整体结构严密、小巧，如图6所示，便携性好。
附图说明
图1是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件电子及光电部分结构示意框图。
图2、图5是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件壳体外部结构及形状示意图，图2、图5的区别在于起落端面板上零部件分布不同；图2同时作为摘要附图。
图3是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件光学部分接收发送同轴方案结构示意图。
图4是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件光学部分对准发送同轴方案结构示意图。
图6是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件在不使用及携带过程中壳体外部结构及形状示意图。
图7是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件中的信号转换模块结构框图。
图8是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件中的光收发控制模块结构框图。
图9是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件中的人体感应开关模块结构框图。
图10是本实用新型之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件中的电源模块中的电源子模块电路图。
具体实施方式
在所述信号转换模块中，如图7所示，usb转以太网芯片与以太网转光纤芯片相连，以太网转光纤芯片还与flash存储器相连。信号转换模块对外由usb转以太网芯片与usb接口相连，由太网转光纤芯片与光收发控制模块相连。usb转以太网芯片由市售ax88179型芯片担当，符合usb3.0/2.0/1.1规范，内置数据链路层的设备(mac)，能够实现与物理媒介的连接，且兼容于ieee802.3系列协议，包括ieee802.3、ieee802.3u及ieee802.3ab，能够实现通信数据的usb接口格式、以太网格式的双向转换。以太网转光纤芯片由市售vitessevsc8211型芯片担当，最高支持速率为1.25gbps，兼容于ieee802.3系列协议，能够实现通信数据的以太网格式、光纤格式的双向转换。flash存储器容量为16mb，是一种cmos型串行flash寄存器，作为以太网转光纤芯片在数据格式转换时的寄存器。
在所述光收发控制模块中，如图8所示，光收发控制芯片分别与微控制芯片、状态指示灯连接。光收发控制模块对外由光收发控制芯片分别与信号转换模块、通信激光二极管、光电二极管相连。光收发控制芯片由市售gn25l95型芯片担当，最高支持速率为1.25gbps，最大调制电流为90ma，光收发控制芯片一方面能够实现光纤格式的通信数据的并转串，驱动通信激光二极管，实现通信数据的调制和电光转换，另一方面能够实现通信电信号的串转并及信号整形，所述信号整形包括限幅放大、跨阻放大以及均衡处理。微控制芯片是一种8位c8051核心微控制器，具有50mhz的工作频率，微控制芯片能够从外部协助光收发控制芯片实时监控通信激光二极管的器件温度和发射光功率，根据器件温度的变化调整驱动电压，对通信激光二极管的发光进行温度变化补偿。光收发控制芯片还能够借助状态指示灯，给出当前通信组件之间的通信状态，如当光收发控制芯片收到的通信电信号强度大于设定的阈值时，发出指令点亮状态指示灯，表示通信组件之间通信状态正常，反之熄灭状态指示灯。
在所述人体感应开关模块中，如图9所示，感光模块、时序模块、电压放大模块依次连接；感光模块包括发光单元和接收单元，接收单元是一个光电元件。人体感应开关模块对外由电压放大模块与辅助对准激光二极管相连。发光单元常亮，在某一波长范围带内发光；接收单元表面涂有滤光材料，透过所述某一波长范围带内某一波长光束。发光单元的发光被接近的物体反射后，部分反射光束入射到接收单元的光敏面上，接收单元产生一个高电平，并发送给时序模块；时序模块接收该高电平后，保持该高电平并输出给电压放大模块放大，得到辅助对准激光二极管的驱动电压，辅助对准激光二极管发射可见光激光；当发光单元的发光被接近的物体再一次反射后，时序模块第二次接收到高电平，此次时序模块停止输出，辅助对准激光二极管不发光。
所述电源模块包含四个相同、独立的电源子模块。所述四个电源子模块分别与信号转换模块中的以太网转光纤芯片，光收发控制模块中的微控制芯片、光收发控制芯片，人体感应开关模块中的感光模块连接，如图7、图8、图9所示。电源子模块由稳压稳流芯片及外围电路构成，如图10所示，所述稳压稳流芯片由市售sx2106型芯片担当；在外围电路中，有四个电容c1、c2、c3、c4、三个电阻r1、r2、r3、一个电感l1；电源子模块允许输入电压范围为4.5v～21v，最大输出电流为2a，输出电压vout由下式决定：
式中v是电压的单位伏。
在本发明之用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件的一个实例中，电源子模块自usb接口输入5v电压，c1＝0.1μf、c2＝10μf、c3＝22μf、c4＝100pf，r3＝100kω，l1＝4.7μh；在分别与信号转换模块中的以太网转光纤芯片、光收发控制模块中的微控制芯片连接的两个电源子模块中，r1＝30.9kω，r2＝9.76kω，vout＝3.3v，在与光收发控制模块中的光收发控制芯片连接的电源子模块中，r1＝4.99kω，r2＝10kω，vout＝1.2v，在与人体感应开关模块中的感光模块连接的电源子模块中，r1＝4.99kω，r2＝2.32kω，vout＝2.5v。
通信激光二极管5的发射功率为5mw；通信一方组件的通信激光二极管5发射的通信光波长为1490nm，通信另一方组件的通信激光二极管5发射的通信光波长为1550nm。
光电二极管6是一种雪崩光电二极管，其最小探测功率为28dbm，信号接收灵敏度较高。
准直透镜8是一种非球面透镜，有效口径为15mm，焦距为20mm。
辅助对准激光二极管9的发射功率为5mw，发射的可见光激光波长为650nm。
辅助对准准直透镜10的口径为5mm，数值孔径为0.13，有效焦距为3.77mm，整体透光率大于95％。
辅助对准靶标11是一个圆形斑点，圆形斑点的颜色同时与面板4颜色、辅助对准激光二极管9发射的可见光激光颜色具有大的反差，如当面板4颜色为黑色、辅助对准激光二极管9发射的可见光激光颜色为红色时，圆形斑点的颜色为白色。
插芯直径为2.5mm，中心处通光口径为10μm；光纤为单模光纤，数值孔径为0.12，芯径为10μm。
在所述接收发送同轴方案中，如图3所示，通信激光二极管5、光电二极管6分别自带球镜13，由通信激光二极管5自带的球镜13将通信激光二极管5发射的通信光聚焦于插芯，由光电二极管6自带的球镜13将通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光、并从插芯出射的通信光聚焦于所述光电二极管6。滤波器7是一种波长选择器件，与通信激光二极管5相对的一面镀有通信激光二极管5发射的通信光波长增透膜，如1490nm增透膜，与光电二极管6相对的一面镀有通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光波长增反膜，如1550nm增反膜。准直透镜8两侧镜面镀有通信一方组件发射的通信光和接收的来自通信另一方组件的通信光增透膜，如1490nm和1550nm增透膜，反射率小于0.5％。
在所述对准发送同轴方案中，如图4所示，通信激光二极管5、辅助对准激光二极管9、光电二极管6分别自带球镜13，由通信激光二极管5自带的球镜13将通信激光二极管5发射的通信光聚焦于与通信激光二极管5相对的插芯，由辅助对准激光二极管9自带的球镜13将辅助对准激光二极管9发射的可见光激光聚焦于与辅助对准激光二极管9相对的插芯，由光电二极管6自带的球镜13将通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光、并从插芯出射的通信光聚焦于所述光电二极管6。通信一方组件中的准直透镜8两侧镜面镀有所接收的来自通信另一方组件的通信光增透膜，如1490nm或者1550nm增透膜，反射率小于0.5％。合束器12是一种熔融拉锥光纤合束器。
1.一种用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于：
由两个相同的组件构成；在每个组件中，usb接口与电源模块、信号转换模块分别相连，电源模块还与信号转换模块、光收发控制模块、人体感应开关模块分别相连，人体感应开关模块还与辅助对准激光二极管相连，辅助对准激光二极管发射的激光为可见光，信号转换模块还与光收发控制模块相连，光收发控制模块还与通信激光二极管、光电二极管分别相连；两个组件中的通信激光二极管发射的激光波长不同；
组件壳体由起落端（1）、起落杆（2）、底座（3）构成，起落杆（2）分别与起落端（1）、底座（3）铰接；起落端（1）具有面板（4），当起落端（1）升起后，面板（4）呈垂直状态；起落杆（2）中空，线缆能够穿过起落杆（2）；usb接口、电源模块、信号转换模块、光收发控制模块、通信激光二极管、光电二极管、人体感应开关模块位于底座（3）内；
在接收发送同轴方案中，通信激光二极管（5）、光电二极管（6）分别位于滤波器（7）的透射光路、反射光路上，光纤一端的插芯位于所述透射光路、反射光路的另一端，光纤另一端的插芯位于准直透镜（8）的焦点处，辅助对准激光二极管（9）位于辅助对准准直透镜（10）的焦点处；所述光纤穿过起落杆（2），所述光纤另一端的插芯位于起落端（1）内，准直透镜（8）位于面板（4）中部；连接人体感应开关模块、辅助对准激光二极管的导线穿过起落杆（2），所述辅助对准激光二极管（9）位于起落端（1）内，辅助对准准直透镜（10）位于面板（4）一侧；在面板（4）的另一侧与辅助对准准直透镜（10）相对于准直透镜（8）对称的位置布设辅助对准靶标（11）；
在对准发送同轴方案中，辅助对准激光二极管（9）、通信激光二极管（5）位于合束器（12）一侧，自该侧引出的两根光纤的端部的插芯分别与辅助对准激光二极管（9）、通信激光二极管（5）出光方向相对，自合束器（12）的另一侧引出的光纤的插芯位于辅助对准准直透镜（10）的焦点处；辅助对准激光二极管（9）位于底座（3）内；另一根光纤位于光电二极管（6）与准直透镜（8）之间，该光纤一端的插芯位于准直透镜（8）的焦点处，该光纤另一端的插芯与光电二极管（6）相对；自合束器（12）的另一侧引出的光纤以及位于光电二极管（6）与准直透镜（8）之间的光纤穿过起落杆（2），准直透镜（8）、辅助准直透镜10位于面板（4）两侧。
2.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，在所述信号转换模块中，usb转以太网芯片与以太网转光纤芯片相连，以太网转光纤芯片还与flash存储器相连；信号转换模块对外由usb转以太网芯片与usb接口相连，由太网转光纤芯片与光收发控制模块相连；usb转以太网芯片能够实现通信数据的usb接口格式、以太网格式的双向转换；以太网转光纤芯片能够实现通信数据的以太网格式、光纤格式的双向转换；flash存储器作为以太网转光纤芯片在数据格式转换时的寄存器。
3.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，在所述光收发控制模块中，光收发控制芯片分别与微控制芯片、状态指示灯连接；光收发控制模块对外由光收发控制芯片分别与信号转换模块、通信激光二极管、光电二极管相连；光收发控制芯片一方面能够实现光纤格式的通信数据的并转串，驱动通信激光二极管，实现通信数据的调制和电光转换，另一方面能够实现通信电信号的串转并及信号整形，所述信号整形包括限幅放大、跨阻放大以及均衡处理；微控制芯片能够从外部协助光收发控制芯片实时监控通信激光二极管的器件温度和发射光功率，根据器件温度的变化调整驱动电压，对通信激光二极管的发光进行温度变化补偿；光收发控制芯片还能够借助状态指示灯，给出当前通信组件之间的通信状态。
4.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，在所述人体感应开关模块中，感光模块、时序模块、电压放大模块依次连接，感光模块包括发光单元和接收单元，接收单元是一个光电元件；人体感应开关模块对外由电压放大模块与辅助对准激光二极管相连；发光单元在某一波长范围带内发光；接收单元表面涂有滤光材料，透过所述某一波长范围带内某一波长光束。
5.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，所述电源模块包含四个相同、独立的电源子模块；所述四个电源子模块分别与信号转换模块中的以太网转光纤芯片，光收发控制模块中的微控制芯片、光收发控制芯片，人体感应开关模块中的感光模块连接。
6.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，在所述接收发送同轴方案中，通信激光二极管（5）、光电二极管（6）分别自带球镜（13），由通信激光二极管（5）自带的球镜（13）将通信激光二极管（5）发射的通信光聚焦于插芯，由光电二极管（6）自带的球镜（13）将通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光、并从插芯出射的通信光聚焦于所述光电二极管（6）；滤波器（7）是一种波长选择器件，与通信激光二极管（5）相对的一面镀有通信激光二极管（5）发射的通信光波长增透膜，与光电二极管（6）相对的一面镀有通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光波长增反膜；准直透镜（8）两侧镜面镀有通信一方组件发射的通信光和接收的来自通信另一方组件的通信光增透膜。
7.根据权利要求1所述的用于小型移动电子设备的外接便携无线光通信组件，其特征在于，在所述对准发送同轴方案中，通信激光二极管（5）、辅助对准激光二极管（9）、光电二极管（6）分别自带球镜（13），由通信激光二极管（5）自带的球镜（13）将通信激光二极管（5）发射的通信光聚焦于与通信激光二极管（5）相对的插芯，由辅助对准激光二极管（9）自带的球镜（13）将辅助对准激光二极管（9）发射的可见光激光聚焦于与辅助对准激光二极管（9）相对的插芯，由光电二极管（6）自带的球镜（13）将通信一方组件接收的来自通信另一方组件的通信光、并从插芯出射的通信光聚焦于所述光电二极管（6）；通信一方组件中的准直透镜（8）两侧镜面镀有所接收的来自通信另一方组件的通信光增透膜；合束器（12）是一种熔融拉锥光纤合束器。
技术总结