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60 美元玩转 Li-Fi —— 开源 OpenVLC 平台入门（附 BeagleBone Black 驱动简单解析）

news 2025/10/31 18:35:57

60 美元玩转 Li-Fi —— 开源 OpenVLC 平台入门（附 BeagleBone Black 及驱动解析）

一、什么是 OpenVLC？
OpenVLC 是由西班牙 IMDEA Networks 研究所推出的开源可见光通信（VLC / Li-Fi）研究平台。它把硬件、驱动、协议栈全部开源，让通信、光学、嵌入式甚至艺术设计等不同背景的同学都能用 ≈ 60 美元的成本快速搭出一套“用灯上网”的原型系统。

项目主页：http://openvlc.org

GitHub： https://github.com/openvlc/openvlc

二、OpenVLC 的系统组成

层级说明备注
硬件 BeagleBone Black（BBB）+ OpenVLC Cape 开源 PCB 原理图，60 左右即可复刻
软件 Linux 驱动 + 用户态 API 完全软件定义 PHY/MAC，可热插拔协议
光电器件低功耗 LED ×2、高功率 LED ×1、光电二极管 PD ×1 低功耗 LED 同时承担 TX/RX，节省成本

三、BeagleBone Black 深度解剖
OpenVLC 选用 BBB 做核心，不是拍脑袋的决定，而是“实时 PRU + 丰富 GPIO + 开源生态”三重优势叠加的结果。

3.1 硬件资源一览

SoC：TI AM3358 ARM Cortex-A8，主频 1 GHz
内存：512 MB DDR3
存储：4 GB eMMC + micro-SD 卡槽
2 个 PRU-ICSS（32-bit 实时 RISC）：

– 每个 PRU 200 MHz，指令周期 5 ns

– 可 bit-bang 产生 100 kHz 8 MHz 的 Manchester / PWM / 自定义波形 → 完美适配 VLC 所需的 µs 级调制
GPIO

– 65 个可编程引脚，其中 8 个支持 PWM，4 个支持 eCAP（输入捕获）

– 3.3 V 电平，可直接驱动 LED 或经简单 MOSFET 驱动高功率 LED
外设

– USB 2.0 Host/Device

– 10/100 M Ethernet（调试时使用）

– JTAG（调试 PRU 利器）

3.2 系统启动路径

micro-SD 或 eMMC → MLO（1st stage）→ u-boot.img → zImage → dtb → rootfs

OpenVLC 官方镜像基于 Debian 10，内核 4.19+，已集成：

cape-universal（动态加载设备树）
PRU 固件加载器 pru_rproc
用于 100 kHz-10 MHz 时钟的 clkdriver 内核模块

3.3 与 OpenVLC Cape 的物理连接

BBB 引脚功能 Cape 信号说明
P8_13 ehrpwm2B LED_TX_PWM 高功率 LED 调制
P8_19 ehrpwm2A PD_RX_ADC 光电二极管采样触发
P8_15 GPIO1_15 LED_RX_EN 低功耗 LED 开关
P8_16 GPIO1_14 PD_BIAS_EN 运放偏置开关
P9_31 PRU0_r30_0 MANCHESTER_OUT PRU 直接输出 Manchester 码
P9_29 PRU0_r31_3 MANCHESTER_IN PRU 直接采样输入

BBB 的 Cape EEPROM（0x54）里预写 "OpenVLC1.1"，系统启动时会自动加载对应设备树片段 BB-OPENVLC1-00A0.dtbo，无需手动 echo 到 slots。

四、OpenVLC 驱动深入解读
源码位于 driver/openvlc/ 目录，主要模块关系如下：

openvlc.ko├─ openvlc_netdev.c  // 创建 net_device，实现 ndo_open/close/xmit├─ openvlc_phy.c     // 软件 PHY：Manchester 编码/解码、OOK、PPM├─ openvlc_mac.c     // MAC：CSMA/CA、TDMA、纯 Aloha（可切换）├─ openvlc_pru_fw.c  // 加载 PRU 固件 pru0-fw.bin└─ openvlc_sysfs.c   // /sys/class/openvlc/* 调参接口

4.1 TX 路径（用户态 → LED）

用户数据 → socket(PF_INET, SOCK_RAW, 0x00c0) → openvlc_xmit() → PRU 固件 → PWM/Manchester → LED

PRU 固件 tx_firmware.p 把 RAM 中的帧按 10 µs/bit 打码，同时翻转 GPIO 输出。
若配置 echo 1 > /sys/class/openvlc/modulation 则切换到 OOK，PRU 固件会切换查找表。

4.2 RX 路径（PD → 用户态）

PD → ADC (BBB 内 12-bit 200 kS/s) → PRU 中断 → openvlc_rx_isr() → 软件 PLL → 解码 → 向上层递交 sk_buff

rx_firmware.p 用 eCAP 模块捕捉上升沿，时间戳差分解码 Manchester。
通过 ethtool -i openvlc0 可查看实时统计：
- rx_bytes / rx_packets / rx_crc_errors
- tx_underrun / tx_collision

4.3 调参示例

# 1. 切换 MAC 协议
echo "tdma" > /sys/class/openvlc/mac_mode# 2. 调整 LED 亮度（占空比 0~255）
echo 180 > /sys/class/openvlc/tx_power# 3. 打开调试日志
echo 1 > /sys/module/openvlc/parameters/debug
dmesg -w | grep openvlc

五、快速上手 5 步走

淘宝/嘉立创打样 OpenVLC Cape（BOM ≈ 30 ¥）。
烧录官方镜像到 8 GB micro-SD：

sudo dd if=openvlc-debian-10.img of=/dev/sdX bs=4M status=progress
插入 Cape + 上电，串口 115200 登录，确认 dmesg | grep openvlc 无报错。
两台 BBB 互相对灯，各跑：

   # 节点 A（192.168.3.1）ifconfig openvlc0 192.168.3.1 upiperf -s -u# 节点 B（192.168.3.2）ifconfig openvlc0 192.168.3.2 upiperf -c 192.168.3.1 -u -b 100K

看到 iperf 成功跑通 20-40 kbps，恭喜入门！

六、常见问题 FAQ

问题原因解决
insmod openvlc.ko 报 Unknown symbol 未加载 pru_rproc modprobe pru-rproc
只有 5 kbps LED 偏置电流太小调大 Cape 的 R_set 或换高功率 LED
RX 报大量 crc_error 环境光过强加 850 nm 带通滤光片，或在 rx_firmware.p 提高阈值

七、拓展阅读

论文原文：OpenVLC, an Open-Source Platform for the Internet of Light

http://eprints.networks.imdea.org/1100/1/paper.pdf
PRU 汇编指南：TI PRU-ICSS Reference Guide (SPRUHF8A)
社区例程：基于 OpenVLC 的「光围栏」、可见光室内定位、AR 灯控游戏等，均在 GitHub Issue 里持续更新。