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[導讀]基于ARM的藍牙實時數據采集系統的設計

摘要:本文提出了一種基于ARM藍牙無線數據采集系統。結合嵌入式技術與藍牙技術的優(yōu)勢,解決了傳統工業(yè)現場數據采集系統中無法同時滿足低功耗、低價格與高性能,并受到電纜布線限制和使用不便等問題。采用藍牙無線通信技術來實現數據的采集,使得數據的采集和遠程監(jiān)測更為簡單和方便,并且提高了數據采集的抗干擾性能。

1 引言

隨著計算機技術的發(fā)展,尤其是無線技術廣泛深入到人們生活的各個方面,使人們的生 活發(fā)生了深刻的變化。就工業(yè)數據采集、測量領域來講,由于測量種類多、數據量大,且存 在許多條件惡劣、人們不易到達或不能時刻停留的地方偶爾采集一些現場數據,因而不但需 要花費大量的人力、物力和財力進行設備的維護,同時給采集帶來很多不必要的麻煩。

為了解決上述問題,本文提出了一種基于ARM 的藍牙實時數據采集系統。采用嵌入式 操作系統Windows CE,對通過藍牙無線傳輸方式集中的傳感器采集數據,進行控制、顯示、 處理,實現工業(yè)實時數據的采集。ARM 技術為內核的微控制器指令周期短,處理能力強, 接口豐富,能成功運行操作系統,為控制系統的應用程序開發(fā)提供了良好的平臺。同時,它 體積小,功耗低,運行性能優(yōu)越,能很好的應對于工控應用方面。而藍牙技術是一種短距離、 低功耗的無線通信技術,采用跳頻機制進行數據傳送,故能極大地提高數據傳送的抗干擾性 能。對于數據采集系統的應用而言,兩者的結合大大簡化了分布采集設備繁瑣的配置和系統 復雜度,且大大降低了功耗和體積。由其帶來的系統靈活性,使得系統的應用更加廣泛。該 系統充分體現了嵌入式系統和藍牙技術的優(yōu)勢,具有一定的實用價值。

2 系統總體設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統由基于ARM 的數據中心、單片機智能節(jié)點和藍牙 無線通信鏈路三大部分組成。數據中心,采用基于ARM9 微處理器S3C2410 的硬件平臺, 運行 Windows CE 嵌入式操作系統,可為操作人員管理現場數據、控制目標設備提供友好、 方便的用戶接口;單片機節(jié)點,負責采集現場數據,通過藍牙無線通信鏈路接收數據中心命 令并將數據上傳給數據中心;藍牙無線通信鏈路,通過在數據中心和單片機節(jié)點安裝的藍牙 模塊實現??紤]到系統的可擴展性,系統還可以通過RS-232 接口實現ARM 數據中心與PC機的數據通信。系統總體構成如圖1 所示。

3 系統硬件設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統的硬件設計包含藍牙模塊天線和外圍電路、基于 ARM 的數據中心、單片機節(jié)點三個部分?,F在分別對各個主要模塊做簡單介紹。

3.1 藍牙模塊天線和外圍電路

藍牙模塊是藍牙通信的基礎,在此采用嵌入式藍牙模塊 DFBM-CS120。它集成了藍牙 標準通信協議,對用戶提供全雙工UART 接口和射頻信號輸出,使用戶能通過UART 控制 模塊操作,并通過天線將承載數據的射頻信號發(fā)射出去。

藍牙模塊外圍電路設計主要包括天線設計、電源設計和UART 接口設計,如圖2 所示。

其中,天線的性能好壞直接關系到整個藍牙通信系統能否正常傳輸數據,必須采用射頻 電路的設計方法進行具有針對性的設計。在此由于DFBM-CS120 有一個天線管腳Antenna, 輸出2.402~2.480GHz 射頻信號,天線管腳的輸出阻抗為50Ω。根據最大功率傳輸定理,在 天線管腳上外接阻抗50Ω的AT3216 多層陶瓷天線??紤]到由于制造參數與設計參數之間的 誤差可能造成的信號衰減,在模塊的天線管腳和藍牙天線之間增加了一個由一個電感和兩個 電容組成的π型網絡,用來放大射頻信號。天線電路框圖如圖3 所示。

3.2 基于ARM 的數據中心

基于 ARM 的數據中心的基本要求是體積小巧、功耗低、界面美觀、操作方便、通信功 能強大、系統擴展性好。具體到硬件上,對ARM 系統的基本要求是支持Windows CE 操作 系統、支持彩色LCD、支持觸摸屏、支持USB、支持以太網、支持藍牙模塊通信接口。根 據要求,結合嵌入式系統業(yè)內流行的開發(fā)平臺,在此選擇基于ARM9 處理器S3C2410 的硬 件平臺作為數據中心。將藍牙模塊作為S3C2410 硬件平臺的一個UART 外設安裝,數據中 心便具有了藍牙通信功能。


S3C2410 硬件平臺的設計分為核心系統設計和外圍設計兩大部分。平臺核心系統包括 CPU、SDRAM 和Flash,其中SDRAM 是平臺的內存,Flash 相當于平臺的硬盤;平臺外設 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網控制器、USB 和UART。

硬件平臺的整體設計圖如圖 4 所示。

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3.3 單片機節(jié)點

單片機節(jié)點是本系統的底層設備,正常工作時作為總控制器,協調控制其他監(jiān)測器件或 模塊工作,完成數據采集、測量、加工及與數據中心的通信、接受命令和數據傳送等任務。 本系統中,單片機節(jié)點模塊的MPU 采用Winbond W77E58,其串口與藍牙通信模塊的UART 進行通信。

兼容 8051 內核、片載Flash 很大、具有雙串口是W77E58 的三個突出特點。前兩點意 味著單片機節(jié)點軟件可以用C51 語言設計,不必因為擔心代碼太大而采用匯編語言;雙串 口意味著可以用一個獨立的串口與PC 機聯機以調試編寫的藍牙通信軟件,調試完成后再將 其移植到與藍牙模塊通信的串口上,無需為軟件調試改動任何硬件,大大降低了硬件的復雜 性,提高了軟件開發(fā)速度。

4 系統軟件設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統的軟件設計包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系統平臺的搭建;第二部分是基于Windows CE 操作系統,運行于數據中心藍牙 數據采集應用程序的設計;第三部分是單片機節(jié)點的藍牙通信軟件的實現。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系統的搭建

Windows CE(簡稱WinCE)是當今市場上主流嵌入式操作系統中應用最廣泛的。它是一 個支持多種硬件平臺、核心代碼開放、組件可裁剪的32 位實時嵌入式窗口操作系統,具有 可靠性高、實時性好、模塊化和小內存占用、支持多種無線與有線連接、支持多種硬件平臺、 支持多種無線與有線連接等特點,廣泛應用于各種嵌入式智能設備開發(fā)。

由于嵌入式智能平臺不論是CPU 架構還是外圍硬件都是多種多樣的,移植WinCE 需要 開發(fā)者根據具體平臺要求對系統進行修改和定制。移植WinCE 操作系統主要有兩部分內容: 一是定制BSP 代碼,包括Bootloader、OAL 以及驅動程序;二是運行調試WinCE 操作系統, 主要是運用開發(fā)工具編譯、下載、運行和調試操作系統映像。

4.2 基于Windows CE 的藍牙數據采集程序的設計

由于 DFBM-CS120 藍牙模塊通過串口進行通信,而WinCE 的驅動程序己經以“文件” 的形式封裝了串口,開發(fā)者無需編寫操作串口硬件的代碼,所以藍牙數據采集程序沒有必要 設計驅動程序,只考慮設計應用程序即可。 本系統中,基于 WinCE 的藍牙數據采集程序采用Embedded Visual C++集成開發(fā)環(huán)境, 基于MFC 庫,采用面向對象的設計方法設計。藍牙數據采集程序的主要任務就是通過串口 發(fā)送和接收數據,因此串口編程是設計藍牙數據采集程序必須實現的部分。WinCE 的驅動 程序己經將串口以“文件”形式進行了封裝,因此基于WinCE 的串口編程無需編寫直接操 作UART 硬件的代碼,只要利用WinCE 提供的文件API 函數就可打開和讀寫串口。這些 API 函數分別是:CreateFile、ReadFile 和WriteFile。

4.3 單片機節(jié)點程序設計

單片機節(jié)點負責采集數據并把數據通過藍牙模塊發(fā)送給數據中心,程序設計的重點是實 現藍牙數據通信。單片機程序在Keil μVision2 開發(fā)環(huán)境下,采用C51 語言編寫。單片機節(jié) 點程序設計包括如下幾個部分:1.配置串口;2.根據串口中斷程序設計單片機-藍牙模塊通訊 程序;3.通信幀格式設計。

單片機節(jié)點與數據中心建立連接后,串口中斷程序接收并識別數據中心的命令,由于數 據和命令是透明傳輸,單片機節(jié)點和數據中心之間必須設計通信協議,規(guī)定命令幀和數據幀 的幀頭、幀尾、幀長、幀類型、校驗等信息,二者才能正?;鲾祿?。通信幀格式設計如下:

5 結束語

本文將藍牙通信技術和 ARM 嵌入式系統應用于工業(yè)數據采集中,開發(fā)了一套新穎的無 線數據采集系統。系統包括數據中心、藍牙通信和單片機節(jié)點三部分。數據中心的硬件、軟 件功能強大,基于以ARM9 處理器S3C2410 為核心的硬件平臺設計,運行 Windows CE 操 作系統,開發(fā)了基于 Windows CE 的藍牙數據采集應用程序。通過數據中心和單片機節(jié)點 的藍牙模塊,數據中心能夠在距離單片機節(jié)點半徑約10 米以內的任何位置方便地與智能節(jié) 點交換命令和數據,不受傳輸角度和節(jié)點安裝位置的限制。

本文作者創(chuàng)新點:在以 ARM9 芯片為核心的嵌入式數據采集系統中,采用藍牙無線通 信DFBM-CS120 芯片,實現高速實時數據信號采集和無線數據傳輸。與有線數據傳輸相比,更加方便靈活,具有較高的可靠性。在軟件設計上采用Windows CE 實時多任務系統,實現 了系統初始化、數據采集、無線通信等任務進行調度和管理。試驗結果表明,該系統硬件電 路簡單、可靠性強,軟件設計合理,滿足了實時信號采集和無線數據傳輸的要求。

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