單片機(jī)及藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1．引言

藍(lán)牙技術(shù)是近年來(lái)開(kāi)展迅速的短距離無(wú)線通信技術(shù)，可以用來(lái)替代數(shù)字設(shè)備間短距離的有線電纜連接。利用藍(lán)牙技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集無(wú)線傳輸模塊，與傳統(tǒng)的電線或紅外方式傳輸測(cè)控?cái)?shù)據(jù)相比，在測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用籃牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有[1][2][3]：

1.采集測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)遇到大量的電磁干擾，而藍(lán)牙系統(tǒng)因采用了跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，故可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂垢蓴_能力。

2.無(wú)須鋪設(shè)線纜，降低了環(huán)境改造本錢，方便了數(shù)據(jù)采集人員的工作。

3.可以從各個(gè)角度進(jìn)展測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)控儀器設(shè)備間的連網(wǎng)，便于進(jìn)展集中監(jiān)測(cè)與控制。2．系統(tǒng)構(gòu)造原理

本課題以單片機(jī)和藍(lán)牙模塊ROK101008為主，設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個(gè)裝置由前端數(shù)據(jù)采集、傳送局部以及末端的數(shù)據(jù)承受局部組成〔如PC機(jī)〕。前端數(shù)據(jù)采集局部由位于現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、存儲(chǔ)器、串口通信等構(gòu)成,傳送局部主要利用自帶微帶天線的藍(lán)牙模塊進(jìn)展數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；末端通過(guò)藍(lán)牙模塊、串口通信傳輸將數(shù)據(jù)送到上位PC機(jī)進(jìn)一步處理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造框架圖如圖1所示。

AT89C51單片機(jī)作為下位機(jī)主機(jī)，傳感器獲得的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送入12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM芯片6264中。下位機(jī)可以主動(dòng)地或者在接收上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送的傳送數(shù)據(jù)指令后，將6264中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照HCI-RS232傳輸協(xié)議進(jìn)展數(shù)據(jù)定義，通過(guò)MAX3232進(jìn)展電平轉(zhuǎn)換后送至藍(lán)牙模塊，由籃牙模塊將數(shù)據(jù)傳送到空間，同時(shí)上位機(jī)的藍(lán)牙模塊對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)展接收,再通過(guò)MAX3232電平轉(zhuǎn)換后傳送至PC機(jī)，從而完成藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)的交換。

圖1.基于藍(lán)牙無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造框架圖3．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機(jī)電路設(shè)計(jì)[4]

信號(hào)放大電路主要采用高共模抑制比放大電路，它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，本課題選用的集成運(yùn)算放大器TL082具有高精度、低漂移的特性。

AT89C51與A/D轉(zhuǎn)換器AD574A及外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的接口示意圖如圖2所示。AT89C51通過(guò)地址譯碼器74LS138、地址鎖存器74LS373，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)展地址選擇。

圖2.AT89C51與AD574及外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264的接口示意圖

藍(lán)牙模塊與AT89C51串口之間采用藍(lán)牙模塊提供的RS232傳輸層接口實(shí)現(xiàn)通信，需要外接電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，由于藍(lán)牙模塊需3.3V供電，因此這里選用MAX3232芯片作電平轉(zhuǎn)換芯片。另外，為了將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，選用電源穩(wěn)壓芯片7301為藍(lán)牙模塊供電。AT89C51通過(guò)MAX3232與藍(lán)牙模塊的接口示意圖如圖3所示。圖3.AT89C51通過(guò)MAX3232與藍(lán)牙模塊的接口示意圖

4.數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙通信的軟件實(shí)現(xiàn)

本課題的軟件主要包括兩局部：數(shù)據(jù)采集和藍(lán)牙通信，采用匯編語(yǔ)言和C51混合編程。為了保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)采集局部采用匯編語(yǔ)言編程，單片機(jī)采用定時(shí)采樣，具體選擇定時(shí)方式2，定時(shí)為100微秒，定時(shí)完畢后，進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)采用查詢的方式讀取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存至外擴(kuò)存儲(chǔ)器6264中。另外，串行口工作在方式1，波特率為9600bps。藍(lán)牙通信局部采用C51編程，主要實(shí)現(xiàn)利用主機(jī)控制器接口HCI層建設(shè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的藍(lán)牙異步無(wú)鏈接數(shù)據(jù)傳輸通道，當(dāng)兩個(gè)藍(lán)牙模塊鏈路建設(shè)成功后，就可以按照藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)分組格式收發(fā)數(shù)據(jù)。

兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間進(jìn)展數(shù)據(jù)通信是通過(guò)HCI分組實(shí)現(xiàn)的，HCI作為藍(lán)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(wèn)和控制藍(lán)牙硬件的統(tǒng)一接口。HCI是通過(guò)分組(Packet)的方式來(lái)進(jìn)展信息交換的。HCI分組有三種類型:指令分組(CommandPacket)、事件分組(EventPacket)和數(shù)據(jù)分組(DataPacket)。

主機(jī)與藍(lán)牙模塊用指令--應(yīng)答方式進(jìn)展通信，主機(jī)向主機(jī)控制器發(fā)送指令分組；主機(jī)控制器執(zhí)行某一指令后，大多數(shù)情況下會(huì)返回給主機(jī)一個(gè)指令完成事件分組(CommandCompleteEventPacket)，該分組攜帶有指令完成的信息。有些分組不會(huì)返回指令完成事件，而返回指令狀態(tài)事件分組(CommandStatusEventPacket)用以說(shuō)明主機(jī)發(fā)出的指令己經(jīng)被主機(jī)控制器接收并開(kāi)場(chǎng)處理。如果指令分組的參數(shù)有誤，返回的指令狀態(tài)事件分組就會(huì)給出相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼；數(shù)據(jù)分組分為異步無(wú)連接(AsynchronousConnectionless,ACL)數(shù)據(jù)分組和同步面向連接(SynchronizationConnectionOriented,SCO)數(shù)據(jù)分組兩種。在本課題中，僅涉及到數(shù)據(jù)通信，而沒(méi)有涉及到語(yǔ)音通信，因此建設(shè)的是ACL鏈路。

單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的軟件接口，就是指單片機(jī)如何通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI指令，藍(lán)牙模塊又如何通過(guò)軟件向單片機(jī)返回HCI事件以及兩者之間如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)和藍(lán)牙模塊間通信的過(guò)程是通過(guò)鍵入HCI指令，觀察收到的HCI事件。當(dāng)兩個(gè)藍(lán)牙模塊建設(shè)鏈路成功后，就可以按照藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)包格式收發(fā)數(shù)據(jù)。

在通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)展數(shù)據(jù)通信時(shí)，首先要進(jìn)展藍(lán)牙模塊的初始化和HCI層流控設(shè)置。典型的藍(lán)牙模塊間的ACL數(shù)據(jù)通信流程有6個(gè)步驟:藍(lán)牙模塊自身初始化InitBluetooth()、HCI流量控制設(shè)置FlowSet()、查詢Inquiry()、建設(shè)連接GreatConnection()、進(jìn)展數(shù)據(jù)通信Data_Transmit(DataLength,HCI_Number)和斷開(kāi)連接Disconnect()[5]。

初始化程序主要是單片機(jī)對(duì)藍(lán)牙發(fā)送一系列命令分組。單片機(jī)每向藍(lán)牙發(fā)送一個(gè)HCI命令分組就要接收藍(lán)牙返回的事件分組，判斷命令執(zhí)行的情況。假設(shè)返回事件分組不正確就要重新初始化藍(lán)牙，直到完全正確。藍(lán)牙設(shè)備在初始化完成之后，通過(guò)Set_Host_Controller_To_Host_Flow_Control指令翻開(kāi)主機(jī)控制器到主機(jī)的流量控制，并通過(guò)HostBufferSize指令來(lái)對(duì)流量控制進(jìn)展配置，包括數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度等。此后，主設(shè)備查詢周圍的藍(lán)牙設(shè)備，找到之后即可向其發(fā)出建設(shè)連接指令，建設(shè)ACL連接。成功建設(shè)連接之后就可以進(jìn)展數(shù)據(jù)通信。通信完成后，主設(shè)備和從設(shè)備都可以發(fā)出斷開(kāi)連接的命令Disconnect。在上述過(guò)程中，查詢過(guò)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(cuò)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(jī)的藍(lán)牙模塊間進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒虉D分別如圖4、5所示。圖4.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)藍(lán)牙系統(tǒng)主方程序流程圖

圖5.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)藍(lán)牙系統(tǒng)從方程序流程圖5．結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷開(kāi)展，將藍(lán)牙技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建出的數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無(wú)線傳輸系統(tǒng)具有性能高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速度快、安裝維護(hù)方便適用于移動(dòng)設(shè)備和便攜設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。本課題所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊，有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和短距離內(nèi)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，對(duì)于類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

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