基于藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

石立 胡文

摘 要：隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)，藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)，作為近距離無(wú)線傳輸?shù)囊环N，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。該文給出了基于藍(lán)牙傳輸?shù)臒o(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，將藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，減少了線纜連接形式，拓展了其應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳輸 藍(lán)牙 數(shù)據(jù)采集 測(cè)試系統(tǒng) 單元模塊

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0252-02

民用飛機(jī)液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)數(shù)采系統(tǒng)主要用于飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)的地面模擬試驗(yàn)，完成試驗(yàn)中各項(xiàng)靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量，壓力脈動(dòng)試驗(yàn)中信號(hào)數(shù)據(jù)的記錄、分析處理，以及各種試驗(yàn)狀態(tài)性能參數(shù)的分析計(jì)算，并根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量所記錄的數(shù)據(jù)生成圖形曲線；進(jìn)一步用于飛機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、校正、改進(jìn)。

現(xiàn)有的數(shù)采系統(tǒng)一般采用集中式的有線傳輸形式，所以連接電纜過(guò)多，現(xiàn)場(chǎng)較為凌亂，容易出現(xiàn)電纜接線問(wèn)題，且在傳輸過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的衰減，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效。此外，民用液壓系統(tǒng)采用腐蝕性極強(qiáng)的磷酸酯液壓油，對(duì)電纜的外包橡膠層腐蝕破壞及其嚴(yán)重，可能影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，在民用液壓系統(tǒng)地面模擬試驗(yàn)數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)盡可能的減少有線電纜連接形式，采用具有穩(wěn)定傳輸特性的分布式無(wú)線傳輸形式。

1 無(wú)無(wú)線傳輸技術(shù)簡(jiǎn)介及種類區(qū)別

工業(yè)無(wú)線技術(shù)是本世紀(jì)初新興的一種面向設(shè)備間信息交互的無(wú)線通信技術(shù)。它是對(duì)現(xiàn)有工業(yè)通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升，將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控模式的變革，因此目前國(guó)內(nèi)外對(duì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)的研制、開(kāi)發(fā)、推廣、應(yīng)用十分迅速。

隨著通信與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，包括藍(lán)牙、IEEE802.11和HomeRF等在內(nèi)的短距離無(wú)線通信技術(shù)正日益走向成熟，應(yīng)用的步伐不斷加快?？梢钥隙ǖ氖牵鞣N短距離無(wú)線通信技術(shù)將在移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)及其周邊設(shè)備、自動(dòng)化控制與家庭信息化等領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色，發(fā)揮巨大作用。

1.1 藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)

藍(lán)牙是藍(lán)牙特殊興趣小組（SIG）提出的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)規(guī)范，近幾年來(lái)取得了很大的發(fā)展。它的有效范圍大約在10 m左右（在增加發(fā)射功率的情況下可以達(dá)到100 m），在此范圍里面，帶有藍(lán)牙功能的設(shè)備，如：手機(jī)、打印機(jī)與筆記本電腦等可以進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，組建微微網(wǎng)，理想情況下可以以1 Mb/s的速率互相傳遞信息。目前，藍(lán)牙技術(shù)的一個(gè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)就在于多點(diǎn)連接，以方便多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享。而在最新的藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范中，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到3 Mb/s。隨著藍(lán)牙技術(shù)與超寬帶技術(shù)（UWB）的融合，藍(lán)牙的通信速率將會(huì)得到進(jìn)一步的提升。由于藍(lán)牙具有功耗低、體積小、可以同時(shí)傳輸語(yǔ)音與數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，藍(lán)牙幾乎可以應(yīng)用到各種數(shù)字設(shè)備中去，如通信、計(jì)算機(jī)及周邊設(shè)備、個(gè)人隨身信息、網(wǎng)絡(luò)接入與工業(yè)設(shè)備等。為了增強(qiáng)抗干擾的能力，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻的方案，每秒鐘頻率可以跳變1600次。與其他工作在這一頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳變的時(shí)間和數(shù)據(jù)分組都更加短，從而極大提高了鏈路的穩(wěn)定性，避免與ISM頻段上的其他系統(tǒng)設(shè)備互相干擾。

1.2 IEEE802.11無(wú)線技術(shù)

IEEE802.11也是一種當(dāng)今非常流行的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它主要用于實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的無(wú)線接入，也是目前無(wú)線局域網(wǎng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11的覆蓋面可以達(dá)到300 m，傳輸速率可達(dá)11 Mb/s，這種技術(shù)可以構(gòu)建高速局域網(wǎng)，以替代一些小型的有線局域網(wǎng)絡(luò)，更適合于人口流動(dòng)量大的場(chǎng)所。但是它的功耗、體積以及價(jià)格等方面一直以來(lái)都不能讓人太滿意，因此在諸如對(duì)功耗、價(jià)格有很高要求的領(lǐng)域使用比較少，在應(yīng)用上就有很大的局限性。當(dāng)然，IEEE802.11的高速率、相對(duì)長(zhǎng)距離也使很多廠商對(duì)它產(chǎn)生了很高的興趣，可是因?yàn)槿狈η逦内A利模式，它的發(fā)展尚處在初始階段，還有一系列問(wèn)題要解決。

1.3 HomeRF無(wú)線技術(shù)

HomeRF技術(shù)以共享無(wú)線訪問(wèn)協(xié)議（SWAP）為基礎(chǔ)，采用跳頻技術(shù)，每秒跳頻50次，通訊速率為1 Mb/s或2 Mb/s。這種技術(shù)主要為家庭用戶設(shè)計(jì)，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)與語(yǔ)音通信，側(cè)重于PC與外設(shè)組成無(wú)線局域網(wǎng)，通過(guò)家庭中的某一主機(jī)在數(shù)據(jù)與語(yǔ)音設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，而且它最多可以支持6個(gè)全雙工的語(yǔ)音信道，因此這種技術(shù)特別適用于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

總體而言，上述三種技術(shù)各有利弊，有各自適合的應(yīng)用領(lǐng)域，它們之間不是一種純粹的競(jìng)爭(zhēng)與取代關(guān)系，而是能夠進(jìn)行很好的互補(bǔ)。藍(lán)牙技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，可以應(yīng)用于絕大多數(shù)以無(wú)線方式代替線纜的場(chǎng)合，特別適用于需要低功耗或者是雙向連接的應(yīng)用場(chǎng)所；IEEE802.11比較適合于辦公網(wǎng)絡(luò)接入，現(xiàn)在很多企業(yè)都已經(jīng)用該技術(shù)繞過(guò)無(wú)線通信運(yùn)營(yíng)商建立無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了可觀的成本；HomeRF則大多應(yīng)用于家庭中的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)與語(yǔ)音的無(wú)線傳輸。

結(jié)合對(duì)上述三種短距離無(wú)線通信技術(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，將藍(lán)牙技術(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)新穎、巧妙的設(shè)想。借助藍(lán)牙技術(shù)傳輸采集的數(shù)據(jù)，可以提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，拓寬其應(yīng)用場(chǎng)合。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，藍(lán)牙模塊與系統(tǒng)接口電平兼容，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；系統(tǒng)應(yīng)用程序只需作較小改動(dòng)就可以適應(yīng)藍(lán)牙模塊，便于程序的模塊化設(shè)計(jì)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體思路

系統(tǒng)采用先進(jìn)成熟的技術(shù)手段，在考慮所用技術(shù)成熟可靠的同時(shí)，將現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)融入其中，提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性，系統(tǒng)能方便地進(jìn)行技術(shù)更新和產(chǎn)品更新，能得到相對(duì)廣泛的技術(shù)支持和產(chǎn)品支持。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵從“通用化、系列化、組合化”的設(shè)計(jì)方法，用統(tǒng)一的、先進(jìn)的和高度標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)途徑，滿足測(cè)試復(fù)雜參數(shù)以及將來(lái)擴(kuò)展的需要。進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的互換性和互操作性，實(shí)現(xiàn)在測(cè)試設(shè)備的多種物理配置上運(yùn)行給定的應(yīng)用程序或TPS的能力，即系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)均不依賴特定供應(yīng)商的硬件設(shè)備或軟件平臺(tái)。并具備經(jīng)由不同設(shè)計(jì)或制造，但具有足夠能力的設(shè)備資產(chǎn)代換給定設(shè)備資產(chǎn)的能力。實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的開(kāi)放性。測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，一方面具有測(cè)試系統(tǒng)資源配置、流程管理、組態(tài)的方便性。另一方面又有開(kāi)放的擴(kuò)展接口，采用國(guó)際流行的通用軟件開(kāi)發(fā)工具和語(yǔ)言接口，測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)符合測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的軟件標(biāo)準(zhǔn)。

整套測(cè)試系統(tǒng)主要是對(duì)壓力、流量、溫度、線性位移、角度位移、力等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集測(cè)量。系統(tǒng)在硬件方面采用分布式的無(wú)線傳輸形式，將數(shù)據(jù)采集模塊和處理模塊布置在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)附近，減少現(xiàn)場(chǎng)的有線連接形式，并通過(guò)無(wú)線傳輸形式將總控計(jì)算機(jī)的控制指令發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)采集處理模塊，然后再將采集得到的并經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偪赜?jì)算機(jī)。方便硬件系統(tǒng)的更換、維修和升級(jí)。在軟件設(shè)計(jì)上將采用框架式的測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)；模塊化的獨(dú)立功能封裝；通過(guò)執(zhí)行測(cè)試軟件進(jìn)行工程參量、測(cè)試流程、虛擬儀器、測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的管理；從而大大提高了系統(tǒng)的通用性和可維護(hù)性；方便了測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的處理，減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，提高了測(cè)試的可靠性，減少了測(cè)試反復(fù)的程度。從而降低了測(cè)試成本，縮短了測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并把風(fēng)險(xiǎn)減少到最低限度。

3 總體方案設(shè)計(jì)

數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)采用分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)單元模塊都由現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集模塊，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊和藍(lán)牙數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊組成。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)單元模塊的采集通道一般不超過(guò)8個(gè)。系統(tǒng)將處于一個(gè)區(qū)域內(nèi)的被測(cè)點(diǎn)組成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)單元模塊，通過(guò)相應(yīng)的傳感器組件采集這些被測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)單元模塊的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊中，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的先期處理后，將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)形式通過(guò)藍(lán)牙數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊傳送給上位機(jī)，上位機(jī)得到數(shù)據(jù)信號(hào)后可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析，顯示，存儲(chǔ)并打印。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件框架圖如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)可分為三部分：第一部分為現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集處理模塊，其作用是將現(xiàn)場(chǎng)各處的傳感器信號(hào)采集到數(shù)據(jù)采集模塊，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)預(yù)處理和AD格式轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集處理模塊與第二部分中的現(xiàn)場(chǎng)藍(lán)牙通訊模塊一起組成了整套測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)單元模塊。第二部分為藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)采端與監(jiān)測(cè)控制端實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，由兩端的藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊組成。第三部分為監(jiān)測(cè)和控制部分，它提供一個(gè)友好的界面供操作員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并根據(jù)實(shí)際需要發(fā)送控制命令，這部分功能主要由總控計(jì)算機(jī)完成。

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