基于ARM的藍牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計

1 引言

隨著計算機技術(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、測量領(lǐng)域來講，由于測量種類多、數(shù)據(jù)量大，且存 在許多條件惡劣、人們不易到達或不能時刻停留的地方偶爾采集一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因而不但需 要花費大量的人力、物力和財力進行設(shè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用嵌入式 操作系統(tǒng)Windows CE，對通過藍牙無線傳輸方式集中的傳感器采集數(shù)據(jù)，進行控制、顯示、 處理，實現(xiàn)工業(yè)實時數(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， 接口豐富，能成功運行操作系統(tǒng)，為控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)提供了良好的平臺。同時，它 體積小，功耗低，運行性能優(yōu)越，能很好的應(yīng)對于工控應(yīng)用方面。而藍牙技術(shù)是一種短距離、 低功耗的無線通信技術(shù)，采用跳頻機制進行數(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)和藍牙技術(shù)的優(yōu)勢，具有一定的實用價值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于 ARM 的藍牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于ARM 的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)，可為操作人員管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制目標設(shè)備提供友好、 方便的用戶接口；單片機節(jié)點，負責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過藍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；藍牙無線通信鏈路，通過在數(shù)據(jù)中心和單片機節(jié)點安裝的藍牙 模塊實現(xiàn)?？紤]到系統(tǒng)的可擴展性，系統(tǒng)還可以通過RS-232 接口實現(xiàn)ARM 數(shù)據(jù)中心與PC機的數(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

基于 ARM 的藍牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計包含藍牙模塊天線和外圍電路、基于 ARM 的數(shù)據(jù)中心、單片機節(jié)點三個部分?，F(xiàn)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(chǔ)，在此采用嵌入式藍牙模塊 DFBM-CS120。它集成了藍牙 標準通信協(xié)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(shù)據(jù)的射頻信號發(fā)射出去。

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

其中，天線的性能好壞直接關(guān)系到整個藍牙通信系統(tǒng)能否正常傳輸數(shù)據(jù)，必須采用射頻 電路的設(shè)計方法進行具有針對性的設(shè)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(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)計參數(shù)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(wǎng)絡(luò)，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(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 能強大、系統(tǒng)擴展性好。具體到硬件上，對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，在此選擇基于ARM9 處理器S3C2410 的硬 件平臺作為數(shù)據(jù)中心。將藍牙模塊作為S3C2410 硬件平臺的一個UART 外設(shè)安裝，數(shù)據(jù)中 心便具有了藍牙通信功能。

S3C2410 硬件平臺的設(shè)計分為核心系統(tǒng)設(shè)計和外圍設(shè)計兩大部分。平臺核心系統(tǒng)包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平臺的內(nèi)存，F(xiàn)lash 相當于平臺的硬盤；平臺外設(shè) 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網(wǎng)控制器、USB 和UART。

硬件平臺的整體設(shè)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(tǒng)的底層設(shè)備，正常工作時作為總控制器，協(xié)調(diào)控制其他監(jiān)測器件或 模塊工作，完成數(shù)據(jù)采集、測量、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(nèi)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(shè)計，不必因為擔(dān)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(lián)機以調(diào)試編寫的藍牙通信軟件，調(diào)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(diào)試改動任何硬件，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

基于 ARM 的藍牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)平臺的搭建；第二部分是基于Windows CE 操作系統(tǒng)，運行于數(shù)據(jù)中心藍牙 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的設(shè)計；第三部分是單片機節(jié)點的藍牙通信軟件的實現(xiàn)。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)的搭建

Windows CE(簡稱WinCE)是當今市場上主流嵌入式操作系統(tǒng)中應(yīng)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(tǒng)，具有 可靠性高、實時性好、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、 支持多種無線與有線連接等特點，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)具體平臺要求對系統(tǒng)進行修改和定制。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)動程序；二是運行調(diào)試WinCE 操作系統(tǒng)， 主要是運用開發(fā)工具編譯、下載、運行和調(diào)試操作系統(tǒng)映像。

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

由于 DFBM-CS120 藍牙模塊通過串口進行通信，而WinCE 的驅(qū)動程序己經(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，所以藍牙數(shù)據(jù)采集程序沒有必要 設(shè)計驅(qū)動程序，只考慮設(shè)計應(yīng)用程序即可。 本系統(tǒng)中，基于 WinCE 的藍牙數(shù)據(jù)采集程序采用Embedded Visual C++集成開發(fā)環(huán)境， 基于MFC 庫，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計。藍牙數(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)計藍牙數(shù)據(jù)采集程序必須實現(xiàn)的部分。WinCE 的驅(qū)動 程序己經(jīng)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(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 單片機節(jié)點程序設(shè)計

單片機節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，程序設(shè)計的重點是實 現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)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(shè)計包括如下幾個部分：1.配置串口；2.根據(jù)串口中斷程序設(shè)計單片機-藍牙模塊通訊 程序；3.通信幀格式設(shè)計。

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

5 結(jié)束語

本文將藍牙通信技術(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、藍牙通信和單片機節(jié)點三部分。數(shù)據(jù)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(shè)計，運行 Windows CE 操 作系統(tǒng)，開發(fā)了基于 Windows CE 的藍牙數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。通過數(shù)據(jù)中心和單片機節(jié)點 的藍牙模塊，數(shù)據(jù)中心能夠在距離單片機節(jié)點半徑約10 米以內(nèi)的任何位置方便地與智能節(jié) 點交換命令和數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采用藍牙無線通 信DFBM-CS120 芯片，實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)信號采集和無線數(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)計上采用Windows CE 實時多任務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn) 了系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、無線通信等任務(wù)進行調(diào)度和管理。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件電 路簡單、可靠性強，軟件設(shè)計合理，滿足了實時信號采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>