單片機和藍牙模塊無線傳輸的數據采集系統(tǒng)

1、 1引言       藍牙技術是近年來發(fā)展迅速的短距離無線通信技術，可以用來替代數字設備間短距離的有線電纜連接。利用藍牙技術構建數據采集無線傳輸模塊，與傳統(tǒng)的電線或紅外方式傳輸測控數據相比，在測控領域應用籃牙技術的優(yōu)點主要有123：      1.采集測控現(xiàn)場數據遇到大量的電磁干擾，而藍牙系統(tǒng)因采用了跳頻擴頻技術，故可以有效地提高數據傳輸的安全性和抗干擾能力。      2.無須鋪設線纜，降低了環(huán)境改造成本，方便了數據采集人員

2、的工作。      3.可以從各個角度進行測控數據的傳輸，可以實現(xiàn)多個測控儀器設備間的連網，便于進行集中監(jiān)測與控制。       2系統(tǒng)結構原理       本課題以單片機和藍牙模塊ROK 101 008為主，設計了基于藍牙無線傳輸的數據采集系統(tǒng)，整個裝置由前端數據采集、傳送部分以及末端的數據接受部分組成（如PC機）。前端數據采集部分由位于現(xiàn)場的傳感器、信號放大電路、A/D轉換器、單片機、存儲器、串口通信等構成,傳送部分主要利

3、用自帶微帶天線的藍牙模塊進行數據的無線傳輸；末端通過藍牙模塊、串口通信傳輸將數據送到上位PC機進一步處理。整個系統(tǒng)結構框架圖如圖1所示。        AT89C51單片機作為下位機主機，傳感器獲得的信號經過放大后送入12位A/D轉換器AD574A進行A/D 轉換，然后將轉換后的數據存儲到RAM芯片6264中。下位機可以主動地或者在接收上位機通過藍牙模塊發(fā)送的傳送數據指令后，將6264中存儲的數據按照HCI-RS232傳輸協(xié)議進行數據定義，通過MAX3232進行電平轉換后送至藍牙模塊，由籃牙模塊將數據傳送到空間，同時上位機的

4、藍牙模塊對此數據進行接收,再通過MAX3232電平轉換后傳送至PC機，從而完成藍牙無線數據的交換。圖1. 基于藍牙無線傳輸的數據采集系統(tǒng)結構框架圖      3數據采集系統(tǒng)的下位機電路設計4       信號放大電路主要采用高共模抑制比放大電路，它由三個集成運算放大器組成，本課題選用的集成運算放大器TL082具有高精度、低漂移的特性。       AT89C51與A/D轉換器AD574A及外擴數據存儲器6264的接口示意圖如圖

5、2所示。AT89C51通過地址譯碼器74LS138、地址鎖存器74LS373，對A/D轉換器、數據存儲器進行地址選擇。圖2.AT89C51與AD574及外擴數據存儲器6264的接口示意圖        藍牙模塊與AT89C51串口之間采用藍牙模塊提供的RS232傳輸層接口實現(xiàn)通信，需要外接電路實現(xiàn)電平轉換，由于藍牙模塊需3.3V供電，因此這里選用MAX3232芯片作電平轉換芯片。另外，為了將5V輸入電壓轉換為3.3V電壓，選用電源穩(wěn)壓芯片7301為藍牙模塊供電。AT89C51通過MAX3232與藍牙模塊的接口示意圖如圖3所示

6、。圖3.AT89C51通過MAX3232與藍牙模塊的接口示意圖       4. 數據采集和藍牙通信的軟件實現(xiàn)        本課題的軟件主要包括兩部分：數據采集和藍牙通信，采用匯編語言和C51混合編程。為了保證數據采集的實時性，數據采集部分采用匯編語言編程，單片機采用定時采樣，具體選擇定時方式2，定時為100微秒，定時結束后，進行A/D轉換，單片機采用查詢的方式讀取AD574A的轉換結果，然后將轉換后的數據存至外擴存儲器6264中。另外，串行口工作在方式1，波特率

7、為9600bps。藍牙通信部分采用C51編程，主要實現(xiàn)利用主機控制器接口HCI層建立點對點的藍牙異步無鏈接數據傳輸通道，當兩個藍牙模塊鏈路建立成功后，就可以按照藍牙規(guī)范規(guī)定的HCI數據分組格式收發(fā)數據。        兩個藍牙設備間進行數據通信是通過HCI分組實現(xiàn)的，HCI作為藍牙軟件協(xié)議堆棧中軟硬件之間的接口，為上層提供了訪問和控制藍牙硬件的統(tǒng)一接口。HCI是通過分組(Packet)的方式來進行信息交換的。HCI分組有三種類型:指令分組(Command Packet)、事件分組(Event Packet)和數據分組(Dat

8、a Packet)。        主機與藍牙模塊用指令-應答方式進行通信，主機向主機控制器發(fā)送指令分組；主機控制器執(zhí)行某一指令后，大多數情況下會返回給主機一個指令完成事件分組(Command Complete Event Packet)，該分組攜帶有指令完成的信息。有些分組不會返回指令完成事件，而返回指令狀態(tài)事件分組(Command Status Event Packet)用以說明主機發(fā)出的指令己經被主機控制器接收并開始處理。如果指令分組的參數有誤，返回的指令狀態(tài)事件分組就會給出相應的錯誤代碼；數據分組分為異步無連接(As

9、ynchronous Connectionless, ACL)數據分組和同步面向連接(Synchronization Connection Oriented, SCO)數據分組兩種。在本課題中，僅涉及到數據通信，而沒有涉及到語音通信，因此建立的是ACL鏈路。        單片機與藍牙模塊的軟件接口，就是指單片機如何通過軟件實現(xiàn)向藍牙模塊發(fā)送HCI指令，藍牙模塊又如何通過軟件向單片機返回HCI事件以及兩者之間如何實現(xiàn)數據傳輸。單片機和藍牙模塊間通信的過程是通過鍵入HCI指令，觀察收到的HCI事件。當兩個藍牙模塊建立鏈路成功后

10、，就可以按照藍牙規(guī)范規(guī)定的HCI數據包格式收發(fā)數據。       在通過藍牙模塊進行數據通信時，首先要進行藍牙模塊的初始化和HCI層流控設置。典型的藍牙模塊間的ACL數據通信流程有6個步驟:藍牙模塊自身初始化Init Bluetooth( )、HCI流量控制設置Flow Set( )、查詢Inquiry( )、建立連接Great Connection( )、進行數據通信Data_ Transmit(Data Length, HCI_ Number)和斷開連接Disconnect() 5。    

11、   初始化程序主要是單片機對藍牙發(fā)送一系列命令分組。單片機每向藍牙發(fā)送一個HCI命令分組就要接收藍牙返回的事件分組，判斷命令執(zhí)行的情況。若返回事件分組不正確就要重新初始化藍牙，直到完全正確。藍牙設備在初始化完成之后，通過Set_ Host_ Controller_ To_ Host_ Flow_ Control指令打開主機控制器到主機的流量控制，并通過Host Buffer Size指令來對流量控制進行配置，包括數據分組的長度等。此后，主設備查詢周圍的藍牙設備，找到之后即可向其發(fā)出建立連接指令，建立ACL連接。成功建立連接之后就可以進行數據通信。通信完成后，主設備和從設備

12、都可以發(fā)出斷開連接的命令Disconnect。在上述過程中，查詢過程不一定存在，所以這只是一般的流程模型。如果在任何一條指令分組發(fā)出后，返回錯誤的事件分組，則指令需重發(fā)直到正確為止5。本課題中，下、上位機的藍牙模塊間進行數據傳輸的程序流程圖分別如圖4、5所示。圖4.點對點藍牙系統(tǒng)主方程序流程圖          圖5.點對點藍牙系統(tǒng)從方程序流程圖       5結論       隨著數據采集技術的不斷發(fā)展，將藍牙技術與數據采集技術相結合構建出的數據采集藍牙無線傳輸系統(tǒng)具有性能高、體積小、功耗低、抗干擾能力強、數據傳輸速度快、安裝維護方便適用于移動設備和便攜設備等優(yōu)點。本課題所設計的數據采集藍牙無線傳輸模塊，有效的實現(xiàn)了對現(xiàn)場數據的采集和短距離內數據的無線傳輸，對于類似的數據采集系統(tǒng)的設計具有很好的借鑒意義。