60 美元玩轉 Li-Fi —— 開源 OpenVLC 平臺入門（附 BeagleBone Black 及驅動解析）

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一、什么是 OpenVLC？
OpenVLC 是由西班牙 IMDEA Networks 研究所推出的開源可見光通信（VLC / Li-Fi）研究平臺。它把硬件、驅動、協議棧全部開源，讓通信、光學、嵌入式甚至藝術設計等不同背景的同學都能用 ≈ 60 美元 的成本快速搭出一套“用燈上網”的原型系統。

項目主頁：http://openvlc.org

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

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二、OpenVLC 的系統組成

層級 說明 備注
硬件 BeagleBone Black（BBB）+ OpenVLC Cape 開源 PCB 原理圖，60 左右即可復刻
軟件 Linux 驅動 + 用戶態 API 完全軟件定義 PHY/MAC，可熱插拔協議
光電器件 低功耗 LED ×2、高功率 LED ×1、光電二極管 PD ×1 低功耗 LED 同時承擔 TX/RX，節省成本

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三、BeagleBone Black 深度解剖
OpenVLC 選用 BBB 做核心，不是拍腦袋的決定，而是“實時 PRU + 豐富 GPIO + 開源生態”三重優勢疊加的結果。

3.1 硬件資源一覽

• SoC：TI AM3358 ARM Cortex-A8，主頻 1 GHz

• 內存：512 MB DDR3

• 存儲：4 GB eMMC + micro-SD 卡槽

• 2 個 PRU-ICSS（32-bit 實時 RISC）：

  – 每個 PRU 200 MHz，指令周期 5 ns

  – 可 bit-bang 產生 100 kHz 8 MHz 的 Manchester / PWM / 自定義波形 → 完美適配 VLC 所需的 μs 級調制

• GPIO

  – 65 個可編程引腳，其中 8 個支持 PWM，4 個支持 eCAP（輸入捕獲）

  – 3.3 V 電平，可直接驅動 LED 或經簡單 MOSFET 驅動高功率 LED

• 外設

  – USB 2.0 Host/Device

  – 10/100 M Ethernet（調試時使用）

  – JTAG（調試 PRU 利器）

3.2 系統啟動路徑

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

OpenVLC 官方鏡像基于 Debian 10，內核 4.19+，已集成：

• cape-universal（動態加載設備樹）
• PRU 固件加載器 pru_rproc
• 用于 100 kHz-10 MHz 時鐘的 clkdriver 內核模塊

3.3 與 OpenVLC Cape 的物理連接

BBB 引腳 功能 Cape 信號 說明
P8_13 ehrpwm2B LED_TX_PWM 高功率 LED 調制
P8_19 ehrpwm2A PD_RX_ADC 光電二極管采樣觸發
P8_15 GPIO1_15 LED_RX_EN 低功耗 LED 開關
P8_16 GPIO1_14 PD_BIAS_EN 運放偏置開關
P9_31 PRU0_r30_0 MANCHESTER_OUT PRU 直接輸出 Manchester 碼
P9_29 PRU0_r31_3 MANCHESTER_IN PRU 直接采樣輸入

BBB 的 Cape EEPROM（0x54）里預寫 "OpenVLC1.1"，系統啟動時會自動加載對應設備樹片段 BB-OPENVLC1-00A0.dtbo，無需手動 echo 到 slots。

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四、OpenVLC 驅動深入解讀
源碼位于 driver/openvlc/ 目錄，主要模塊關系如下：

openvlc.ko├─ openvlc_netdev.c  // 創建 net_device，實現 ndo_open/close/xmit├─ openvlc_phy.c     // 軟件 PHY：Manchester 編碼/解碼、OOK、PPM├─ openvlc_mac.c     // MAC：CSMA/CA、TDMA、純 Aloha（可切換）├─ openvlc_pru_fw.c  // 加載 PRU 固件 pru0-fw.bin└─ openvlc_sysfs.c   // /sys/class/openvlc/* 調參接口

4.1 TX 路徑（用戶態 → LED）

用戶數據 → socket(PF_INET, SOCK_RAW, 0x00c0) → openvlc_xmit() → PRU 固件 → PWM/Manchester → LED

• PRU 固件 tx_firmware.p 把 RAM 中的幀按 10 μs/bit 打碼，同時翻轉 GPIO 輸出。
• 若配置 echo 1 > /sys/class/openvlc/modulation 則切換到 OOK，PRU 固件會切換查找表。

4.2 RX 路徑（PD → 用戶態）

PD → ADC (BBB 內 12-bit 200 kS/s) → PRU 中斷 → openvlc_rx_isr() → 軟件 PLL → 解碼 → 向上層遞交 sk_buff

• rx_firmware.p 用 eCAP 模塊捕捉上升沿，時間戳差分解碼 Manchester。
• 通過 ethtool -i openvlc0 可查看實時統計：
  • rx_bytes / rx_packets / rx_crc_errors
  • tx_underrun / tx_collision

4.3 調參示例

# 1. 切換 MAC 協議
echo "tdma" > /sys/class/openvlc/mac_mode# 2. 調整 LED 亮度（占空比 0~255）
echo 180 > /sys/class/openvlc/tx_power# 3. 打開調試日志
echo 1 > /sys/module/openvlc/parameters/debug
dmesg -w | grep openvlc

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五、快速上手 5 步走

1. 淘寶/嘉立創打樣 OpenVLC Cape（BOM ≈ 30 ￥）。

2. 燒錄官方鏡像到 8 GB micro-SD：

   sudo dd if=openvlc-debian-10.img of=/dev/sdX bs=4M status=progress

3. 插入 Cape + 上電，串口 115200 登錄，確認 dmesg | grep openvlc 無報錯。

4. 兩臺 BBB 互相對燈，各跑：

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

5. 看到 iperf 成功跑通 20-40 kbps，恭喜入門！

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六、常見問題 FAQ

問題 原因 解決
insmod openvlc.ko 報 Unknown symbol 未加載 pru_rproc modprobe pru-rproc
只有 5 kbps LED 偏置電流太小 調大 Cape 的 R_set 或換高功率 LED
RX 報大量 crc_error 環境光過強 加 850 nm 帶通濾光片，或在 rx_firmware.p 提高閾值

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七、拓展閱讀

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

  http://eprints.networks.imdea.org/1100/1/paper.pdf

• PRU 匯編指南：TI PRU-ICSS Reference Guide (SPRUHF8A)

• 社區例程：基于 OpenVLC 的「光圍欄」、可見光室內定位、AR 燈控游戲等，均在 GitHub Issue 里持續更新。

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如果上述外鏈因網絡原因無法打開，建議：

1. 檢查 URL 拼寫；
2. 使用教育網/國際出口代理；
3. 直接訪問 GitHub 鏡像站 https://hub.fastgit.org/openvlc/openvlc 。

祝你在“光聯網”的世界里玩得開心！