基于藍(lán)牙技術(shù)在檢測與傳感器實(shí)驗(yàn)臺中的數(shù)據(jù)無線傳輸

何文廣，李 偉

（黑龍江工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

信息電子產(chǎn)品的發(fā)展使所應(yīng)用的帶信息傳感器的電器越來越多，各種電器之間的連線也越來越多，電纜除了會造成諸多使用不便之外，連線常出故障，且各種電纜之間無法通用。藍(lán)牙技術(shù)為解決這種不便提供了一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又方便的方案，以“無線代替電纜”是藍(lán)牙開發(fā)的初衷，也是它最基本的用途。與HomeRF和Ir－DA相比，藍(lán)牙技術(shù)是一整套全新的協(xié)議，可應(yīng)用于任何以無線方式替代電纜的場合。因此，本文提出了一種簡化的數(shù)據(jù)傳輸方案，即直接在檢測與傳感器實(shí)驗(yàn)臺中應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸。

1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，由愛立信、英特爾、諾基亞、東芝和IBM等五大公司組成的特殊利益集團(tuán)（Special Interests Group，SIG）于1998－05聯(lián)合制定。SIG推出藍(lán)牙技術(shù)的目的在于實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb／s（有效傳輸速率為721 kb／s）、最大傳輸距離為10 m的無線通信，并形成世界統(tǒng)一的近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)提供低成本、低功耗的無線接入方式，被認(rèn)為是近年來無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的重大進(jìn)展之一。

1.1 藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出藍(lán)牙的體系結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，即低層協(xié)議和高層應(yīng)用協(xié)議。

1.2 工作原理

藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb／s。藍(lán)牙技術(shù)采用“Plug＆play”技術(shù)，即任意一個(gè)采用藍(lán)牙技術(shù)的儀器設(shè)備（簡稱藍(lán)牙設(shè)備）一旦搜尋到另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可以與之建立聯(lián)系，無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置，可謂能做到“即連即用”。所以藍(lán)牙技術(shù)比較適用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。如前所述，藍(lán)牙技術(shù)在硬件上的主要模塊有：基帶（Baseband）和射頻（RF）兩部分，如圖2所示。

圖1 藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 藍(lán)牙工作原理

其中，Transmitter模塊對來自Baseband信息進(jìn)行高頻處理，然后由天線發(fā)射出去，在這個(gè)過程中，由于采用了快速跳頻以及前向糾錯(cuò)方案來保證鏈路的穩(wěn)定和傳輸?shù)目煽啃裕云淇垢蓴_能力很強(qiáng)；與這個(gè)過程相反，Receiver模塊把從無線中接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過Baseband傳送給主機(jī)。所以，任何兩個(gè)支持藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都可以在短距離內(nèi)進(jìn)行信息傳遞，不需要使用電纜連接，而且它的功耗非常低。

2 硬件原理結(jié)構(gòu)

由于藍(lán)牙技術(shù)具有體積小、功耗低、抗干擾強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，另外，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集芯片的集成度和性能都在不斷提高，因此，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)牙無線傳輸模塊具有性能高、體積小、功耗低、抗干擾強(qiáng)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合檢測與傳感器實(shí)驗(yàn)臺的應(yīng)用特點(diǎn)——檢測信號多、傳感器多、測量復(fù)雜等。利用藍(lán)牙模塊作為實(shí)現(xiàn)無線通信的手段，可以在很大程度上降低由于藍(lán)牙協(xié)議的復(fù)雜性所帶來的開發(fā)上的困難，從而在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

C8051F020單片機(jī)是由新華龍公司生產(chǎn)的C51系列中應(yīng)用較廣泛的一款，其特點(diǎn)是：高速流水線結(jié)構(gòu)的8051；兼容的CIP－51內(nèi)核（25MIPS）；全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口；64 K可編程的FLASH存儲器；4 352（4K＋256）字節(jié)的片內(nèi)RAM；可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；還具有硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、MBus／I2C和2個(gè)UART串口接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器；片內(nèi)看門狗定時(shí)器等?；贑8051F020單片機(jī)良好的性能和藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用C8051F020作為數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)多路信號的通道選擇、A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲。

采用藍(lán)牙模塊BTM4504C1 H作為數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器，按照藍(lán)牙HCI通信協(xié)議，以HCI數(shù)據(jù)分組的形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。只需2節(jié)電池供電就可以輸出3.3 V和5 V電壓的電源管理模塊MAX756和輸出－5 V電壓的芯片ICL7660。為了擴(kuò)大輸入信號的范圍，增加雙極性信號到單極性信號的極性轉(zhuǎn)換電路。因此，信號調(diào)理電路中除了實(shí)現(xiàn)信號放大、濾波、隔離外，還可以實(shí)現(xiàn)信號的極性轉(zhuǎn)換。在加載程序時(shí)還需要RS232接口電路（MAX3232電平轉(zhuǎn)換作用）。所以數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊有電源適配器和電池2種供電模式，當(dāng)采用電池供電時(shí)，此數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊可成為便攜式設(shè)備。數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊硬件原理如圖3所示。

3 控制裝置軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場常用的RS232接口，因此，在藍(lán)牙主機(jī)（即系統(tǒng)中的單片機(jī)）和藍(lán)牙主控制器之間采用的物理總線接口為RS232。主機(jī)和主控制器將通過該接口傳送藍(lán)牙 HCI信息流。HCIRS232傳輸層可發(fā)出6種HCI分組：指令分組、事件分組以及數(shù)據(jù)分組（ACL異步無連接數(shù)據(jù)分組和SCO同步面向鏈接數(shù)據(jù)分組），另外還包括錯(cuò)誤消息分組和協(xié)商分組。為區(qū)分分組類型，在RS232傳輸分組幀中加上了分組類型指示。當(dāng)每次傳送1個(gè)以上HCI分組，用以區(qū)分分組類型的分組指示器會在8位的序列號上加1。

在RS232鏈路上發(fā)送任何字節(jié)之前，應(yīng)當(dāng)在主控制器和主機(jī)之間對波特率、齊偶校驗(yàn)值類型、終止位和協(xié)議模式進(jìn)行協(xié)商（由協(xié)商分組完成）。傳送協(xié)商分組時(shí)，必須遵循協(xié)商協(xié)議，設(shè)置好通信的藍(lán)牙設(shè)備雙方的參數(shù)值。

發(fā)送端的軟件主要是在單片機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)HCI－RS232傳輸層的通訊，單片機(jī)主要基于C51編程，實(shí)現(xiàn)對前端來自傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行 HCIRS232信息格式的打包，然后通過傳輸層接口RS232實(shí)現(xiàn)和藍(lán)牙模塊之間數(shù)據(jù)傳遞。程序要求對藍(lán)牙模塊初始化、復(fù)位和鏈接等。

數(shù)據(jù)接收時(shí)在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，程序主要是調(diào)用HCI模塊。HCI模塊依據(jù)協(xié)議規(guī)定，完成協(xié)議功能，封裝HCI命令以及上層協(xié)議的數(shù)據(jù)，處理下層事件。本處數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要調(diào)用WINDOWS提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)RS232數(shù)據(jù)的接收。HCI命令事件處理模塊完成命令的封裝和事件的解析，當(dāng)接收函數(shù)收到HCI事件時(shí)，調(diào)用HCI事件處理模塊的事件處理函數(shù)，處理完成后依據(jù)事件的性質(zhì)，將響應(yīng)傳到上層。

下面給出了C51主程序部分（RS232串口波特率設(shè)置等）及接收端HCI模塊的指令分組命令包的格式。

＃include＜reg51.h＞

＃include＜intrins.h＞

……

／＊主函數(shù)＊／

Void main（void）

｛……

TMOD＝0x20；／／定時(shí)器T1為方式2

TH1＝0x FD；

TL1＝0x FD；／／定時(shí)器T1波特率為9 600

TCON＝0x55；／／開啟定時(shí)器

SCON＝0x50；／／串行口模式1

Init＿BIM4504C1 H（）；／／調(diào)用初始化藍(lán)牙模塊

……｝

指令分組的命令包格式：

Typedef struct cmd＿pkt｛

U32 type：8；

U32 ocf：10；

U32 ogf：6；

U32 len：8；

U8 data［256］；

｝cmd＿pkt；

數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和短距離內(nèi)數(shù)據(jù)的無線傳輸。該模塊與數(shù)據(jù)分析軟件相結(jié)合，已完成數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該模塊可以實(shí)現(xiàn)8通道不同模式（連續(xù)模式、點(diǎn)檢模式等）數(shù)據(jù)采集、2路PID控制等功能，數(shù)據(jù)采集速率最高可達(dá)150 k Hz，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)721 kb／s，功耗約為1 W。

圖3 數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊硬件原理

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊在檢測與傳感器實(shí)驗(yàn)臺中的應(yīng)用效果較好，對采集參數(shù)的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送反映靈敏，初步證明利用藍(lán)牙技術(shù)作為無線通信手段構(gòu)建無線數(shù)據(jù)傳輸模塊是可行的，同時(shí)由于藍(lán)牙技術(shù)是較新的無線通信技術(shù)和本人在知識面和時(shí)間上的局限性，因而此數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊還存在許多問題，以下是有待進(jìn)一步完善該模塊所需要做的一些工作：通過增加藍(lán)牙模塊功率等級和改進(jìn)天線等途徑增加數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊的通信距離；通過改進(jìn)數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊軟件實(shí)現(xiàn)與多個(gè)上位機(jī)通信；充分利用C8051F020的正常、空閑、掉電模式和藍(lán)牙模塊的Hold、Sniff、Park模式進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線模塊的功耗。通過改進(jìn)，數(shù)據(jù)采集藍(lán)牙無線傳輸模塊將具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

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