基于ARM的藍(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其是無線技術(shù)廣泛深入到人們生活的各個(gè)方面，使人們的生 活發(fā)生了深刻的變化。就工業(yè)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量領(lǐng)域來講，由于測(cè)量種類多、數(shù)據(jù)量大，且存 在許多條件惡劣、人們不易到達(dá)或不能時(shí)刻停留的地方偶爾采集一些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，因而不但需 要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)，同時(shí)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(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用嵌入式 操作系統(tǒng)Windows CE，對(duì)通過藍(lán)牙無線傳輸方式集中的傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制、顯示、 處理，實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。ARM 技術(shù)為內(nèi)核的微控制器指令周期短，處理能力強(qiáng)， 接口豐富，能成功運(yùn)行操作系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)提供了良好的平臺(tái)。同時(shí)，它 體積小，功耗低，運(yùn)行性能優(yōu)越，能很好的應(yīng)對(duì)于工控應(yīng)用方面。而藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離、 低功耗的無線通信技術(shù)，采用跳頻機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故能極大地提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性 能。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用而言，兩者的結(jié)合大大簡(jiǎn)化了分布采集設(shè)備繁瑣的配置和系統(tǒng) 復(fù)雜度，且大大降低了功耗和體積。由其帶來的系統(tǒng)靈活性，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛。該 系統(tǒng)充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)和藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于 ARM 的藍(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于ARM 的數(shù)據(jù)中心、單片機(jī)智能節(jié)點(diǎn)和藍(lán)牙 無線通信鏈路三大部分組成。數(shù)據(jù)中心，采用基于ARM9 微處理器S3C2410 的硬件平臺(tái)， 運(yùn)行 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)，可為操作人員管理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)設(shè)備提供友好、 方便的用戶接口；單片機(jī)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙無線通信鏈路接收數(shù)據(jù)中心命 令并將數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心；藍(lán)牙無線通信鏈路，通過在數(shù)據(jù)中心和單片機(jī)節(jié)點(diǎn)安裝的藍(lán)牙 模塊實(shí)現(xiàn)。考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，系統(tǒng)還可以通過RS-232 接口實(shí)現(xiàn)ARM 數(shù)據(jù)中心與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于 ARM 的藍(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含藍(lán)牙模塊天線和外圍電路、基于 ARM 的數(shù)據(jù)中心、單片機(jī)節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分?，F(xiàn)在分別對(duì)各個(gè)主要模塊做簡(jiǎn)單介紹。

3.1 藍(lán)牙模塊天線和外圍電路

藍(lán)牙模塊是藍(lán)牙通信的基礎(chǔ)，在此采用嵌入式藍(lán)牙模塊 DFBM-CS120。它集成了藍(lán)牙 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，對(duì)用戶提供全雙工UART 接口和射頻信號(hào)輸出，使用戶能通過UART 控制 模塊操作，并通過天線將承載數(shù)據(jù)的射頻信號(hào)發(fā)射出去。

藍(lán)牙模塊外圍電路設(shè)計(jì)主要包括天線設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)和UART 接口設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

其中，天線的性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)藍(lán)牙通信系統(tǒng)能否正常傳輸數(shù)據(jù)，必須采用射頻 電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。在此由于DFBM-CS120 有一個(gè)天線管腳Antenna， 輸出2.402~2.480GHz 射頻信號(hào)，天線管腳的輸出阻抗為50Ω。根據(jù)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(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的 誤差可能造成的信號(hào)衰減，在模塊的天線管腳和藍(lán)牙天線之間增加了一個(gè)由一個(gè)電感和兩個(gè) 電容組成的π型網(wǎng)絡(luò)，用來放大射頻信號(hào)。天線電路框圖如圖3 所示。

3.2 基于ARM 的數(shù)據(jù)中心

基于 ARM 的數(shù)據(jù)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(qiáng)大、系統(tǒng)擴(kuò)展性好。具體到硬件上，對(duì)ARM 系統(tǒng)的基本要求是支持Windows CE 操作 系統(tǒng)、支持彩色LCD、支持觸摸屏、支持USB、支持以太網(wǎng)、支持藍(lán)牙模塊通信接口。根 據(jù)要求，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)業(yè)內(nèi)流行的開發(fā)平臺(tái)，在此選擇基于ARM9 處理器S3C2410 的硬 件平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中心。將藍(lán)牙模塊作為S3C2410 硬件平臺(tái)的一個(gè)UART 外設(shè)安裝，數(shù)據(jù)中 心便具有了藍(lán)牙通信功能。

S3C2410 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)分為核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)和外圍設(shè)計(jì)兩大部分。平臺(tái)核心系統(tǒng)包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平臺(tái)的內(nèi)存，F(xiàn)lash 相當(dāng)于平臺(tái)的硬盤；平臺(tái)外設(shè) 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網(wǎng)控制器、USB 和UART。

硬件平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)圖如圖 4 所示。

3.3 單片機(jī)節(jié)點(diǎn)

單片機(jī)節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的底層設(shè)備，正常工作時(shí)作為總控制器，協(xié)調(diào)控制其他監(jiān)測(cè)器件或 模塊工作，完成數(shù)據(jù)采集、測(cè)量、加工及與數(shù)據(jù)中心的通信、接受命令和數(shù)據(jù)傳送等任務(wù)。 本系統(tǒng)中，單片機(jī)節(jié)點(diǎn)模塊的MPU 采用Winbond W77E58，其串口與藍(lán)牙通信模塊的UART 進(jìn)行通信。

兼容 8051 內(nèi)核、片載Flash 很大、具有雙串口是W77E58 的三個(gè)突出特點(diǎn)。前兩點(diǎn)意 味著單片機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件可以用C51 語言設(shè)計(jì)，不必因?yàn)閾?dān)心代碼太大而采用匯編語言；雙串 口意味著可以用一個(gè)獨(dú)立的串口與PC 機(jī)聯(lián)機(jī)以調(diào)試編寫的藍(lán)牙通信軟件，調(diào)試完成后再將 其移植到與藍(lán)牙模塊通信的串口上，無需為軟件調(diào)試改動(dòng)任何硬件，大大降低了硬件的復(fù)雜 性，提高了軟件開發(fā)速度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于 ARM 的藍(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)的搭建；第二部分是基于Windows CE 操作系統(tǒng)，運(yùn)行于數(shù)據(jù)中心藍(lán)牙 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)；第三部分是單片機(jī)節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙通信軟件的實(shí)現(xiàn)。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)的搭建

Windows CE(簡(jiǎn)稱WinCE)是當(dāng)今市場(chǎng)上主流嵌入式操作系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的。它是一 個(gè)支持多種硬件平臺(tái)、核心代碼開放、組件可裁剪的32 位實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)，具有 可靠性高、實(shí)時(shí)性好、模塊化和小內(nèi)存占用、支持多種無線與有線連接、支持多種硬件平臺(tái)、 支持多種無線與有線連接等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式智能設(shè)備開發(fā)。

由于嵌入式智能平臺(tái)不論是CPU 架構(gòu)還是外圍硬件都是多種多樣的，移植WinCE 需要 開發(fā)者根據(jù)具體平臺(tái)要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和定制。移植WinCE 操作系統(tǒng)主要有兩部分內(nèi)容： 一是定制BSP 代碼，包括Bootloader、OAL 以及驅(qū)動(dòng)程序；二是運(yùn)行調(diào)試WinCE 操作系統(tǒng)， 主要是運(yùn)用開發(fā)工具編譯、下載、運(yùn)行和調(diào)試操作系統(tǒng)映像。

4.2 基于Windows CE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)

由于 DFBM-CS120 藍(lán)牙模塊通過串口進(jìn)行通信，而WinCE 的驅(qū)動(dòng)程序己經(jīng)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(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序沒有必要 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，只考慮設(shè)計(jì)應(yīng)用程序即可。 本系統(tǒng)中，基于 WinCE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序采用Embedded Visual C++集成開發(fā)環(huán)境， 基于MFC 庫(kù)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序的主要任務(wù)就是通過串口 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因此串口編程是設(shè)計(jì)藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序必須實(shí)現(xiàn)的部分。WinCE 的驅(qū)動(dòng) 程序己經(jīng)將串口以“文件”形式進(jìn)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(shù)就可打開和讀寫串口。這些 API 函數(shù)分別是：CreateFile、ReadFile 和WriteFile。

4.3 單片機(jī)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí) 現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)程序在Keil μVision2 開發(fā)環(huán)境下，采用C51 語言編寫。單片機(jī)節(jié) 點(diǎn)程序設(shè)計(jì)包括如下幾個(gè)部分：1.配置串口；2.根據(jù)串口中斷程序設(shè)計(jì)單片機(jī)-藍(lán)牙模塊通訊 程序；3.通信幀格式設(shè)計(jì)。

單片機(jī)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中心建立連接后，串口中斷程序接收并識(shí)別數(shù)據(jù)中心的命令，由于數(shù) 據(jù)和命令是透明傳輸，單片機(jī)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心之間必須設(shè)計(jì)通信協(xié)議，規(guī)定命令幀和數(shù)據(jù)幀 的幀頭、幀尾、幀長(zhǎng)、幀類型、校驗(yàn)等信息，二者才能正?；鲾?shù)據(jù)。通信幀格式設(shè)計(jì)如下：

5 結(jié)束語

本文將藍(lán)牙通信技術(shù)和 ARM 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集中，開發(fā)了一套新穎的無 線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)中心、藍(lán)牙通信和單片機(jī)節(jié)點(diǎn)三部分。數(shù)據(jù)中心的硬件、軟 件功能強(qiáng)大，基于以ARM9 處理器S3C2410 為核心的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，運(yùn)行 Windows CE 操 作系統(tǒng)，開發(fā)了基于 Windows CE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。通過數(shù)據(jù)中心和單片機(jī)節(jié)點(diǎn) 的藍(lán)牙模塊，數(shù)據(jù)中心能夠在距離單片機(jī)節(jié)點(diǎn)半徑約10 米以內(nèi)的任何位置方便地與智能節(jié) 點(diǎn)交換命令和數(shù)據(jù)，不受傳輸角度和節(jié)點(diǎn)安裝位置的限制。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在以 ARM9 芯片為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用藍(lán)牙無線通 信DFBM-CS120 芯片，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸。與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，更加方便靈活，具有較高的可靠性。在軟件設(shè)計(jì)上采用Windows CE 實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn) 了系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、無線通信等任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件電 路簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，軟件設(shè)計(jì)合理，滿足了實(shí)時(shí)信號(hào)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br />