單片機及藍牙模塊無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

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1．引言

藍牙技術(shù)是近年來開展迅速的短距離無線通信技術(shù)，可以用來替代數(shù)字設備間短距離的有線電纜連接。利用藍牙技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集無線傳輸模塊，與傳統(tǒng)的電線或紅外方式傳輸測控數(shù)據(jù)相比，在測控領域應用籃牙技術(shù)的優(yōu)點主要有[1][2][3]：

1.采集測控現(xiàn)場數(shù)據(jù)遇到大量的電磁干擾，而藍牙系統(tǒng)因采用了跳頻擴頻技術(shù)，故可以有效地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂垢蓴_能力。

2.無須鋪設線纜，降低了環(huán)境改造本錢，方便了數(shù)據(jù)采集人員的工作。

3.可以從各個角度進展測控數(shù)據(jù)的傳輸，可以實現(xiàn)多個測控儀器設備間的連網(wǎng)，便于進展集中監(jiān)測與控制。2．系統(tǒng)構(gòu)造原理

本課題以單片機和藍牙模塊ROK101008為主，設計了基于藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，整個裝置由前端數(shù)據(jù)采集、傳送局部以及末端的數(shù)據(jù)承受局部組成〔如PC機〕。前端數(shù)據(jù)采集局部由位于現(xiàn)場的傳感器、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、存儲器、串口通信等構(gòu)成,傳送局部主要利用自帶微帶天線的藍牙模塊進展數(shù)據(jù)的無線傳輸；末端通過藍牙模塊、串口通信傳輸將數(shù)據(jù)送到上位PC機進一步處理。整個系統(tǒng)構(gòu)造框架圖如圖1所示。

AT89C51單片機作為下位機主機，傳感器獲得的信號經(jīng)過放大后送入12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574A進展A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲到RAM芯片6264中。下位機可以主動地或者在接收上位機通過藍牙模塊發(fā)送的傳送數(shù)據(jù)指令后，將6264中存儲的數(shù)據(jù)按照HCI-RS232傳輸協(xié)議進展數(shù)據(jù)定義，通過MAX3232進展電平轉(zhuǎn)換后送至藍牙模塊，由籃牙模塊將數(shù)據(jù)傳送到空間，同時上位機的藍牙模塊對此數(shù)據(jù)進展接收,再通過MAX3232電平轉(zhuǎn)換后傳送至PC機，從而完成藍牙無線數(shù)據(jù)的交換。

圖1.基于藍牙無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)造框架圖3．數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的下位機電路設計[4]

信號放大電路主要采用高共模抑制比放大電路，它由三個集成運算放大器組成，本課題選用的集成運算放大器TL082具有高精度、低漂移的特性。

AT89C51與A/D轉(zhuǎn)換器AD574A及外擴數(shù)據(jù)存儲器6264的接口示意圖如圖2所示。AT89C51通過地址譯碼器74LS138、地址鎖存器74LS373，對A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器進展地址選擇。

圖2.AT89C51與AD574及外擴數(shù)據(jù)存儲器6264的接口示意圖

藍牙模塊與AT89C51串口之間采用藍牙模塊提供的RS232傳輸層接口實現(xiàn)通信，需要外接電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，由于藍牙模塊需3.3V供電，因此這里選用MAX3232芯片作電平轉(zhuǎn)換芯片。另外，為了將5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，選用電源穩(wěn)壓芯片7301為藍牙模塊供電。AT89C51通過MAX3232與藍牙模塊的接口示意圖如圖3所示。圖3.AT89C51通過MAX3232與藍牙模塊的接口示意圖

4.數(shù)據(jù)采集和藍牙通信的軟件實現(xiàn)

本課題的軟件主要包括兩局部：數(shù)據(jù)采集和藍牙通信，采用匯編語言和C51混合編程。為了保證數(shù)據(jù)采集的實時性，數(shù)據(jù)采集局部采用匯編語言編程，單片機采用定時采樣，具體選擇定時方式2，定時為100微秒，定時完畢后，進展A/D轉(zhuǎn)換，單片機采用查詢的方式讀取AD574A的轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存至外擴存儲器6264中。另外，串行口工作在方式1，波特率為9600bps。藍牙通信局部采用C51編程，主要實現(xiàn)利用主機控制器接口HCI層建設點對點的藍牙異步無鏈接數(shù)據(jù)傳輸通道，當兩個藍牙模塊鏈路建設成功后，就可以按照藍牙標準規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)分組格式收發(fā)數(shù)據(jù)。

兩個藍牙設備間進展數(shù)據(jù)通信是通過HCI分組實現(xiàn)的，HCI作為藍牙軟件協(xié)議堆棧中軟硬件之間的接口，為上層提供了訪問和控制藍牙硬件的統(tǒng)一接口。HCI是通過分組(Packet)的方式來進展信息交換的。HCI分組有三種類型:指令分組(CommandPacket)、事件分組(EventPacket)和數(shù)據(jù)分組(DataPacket)。

主機與藍牙模塊用指令--應答方式進展通信，主機向主機控制器發(fā)送指令分組；主機控制器執(zhí)行某一指令后，大多數(shù)情況下會返回給主機一個指令完成事件分組(CommandCompleteEventPacket)，該分組攜帶有指令完成的信息。有些分組不會返回指令完成事件，而返回指令狀態(tài)事件分組(CommandStatusEventPacket)用以說明主機發(fā)出的指令己經(jīng)被主機控制器接收并開場處理。如果指令分組的參數(shù)有誤，返回的指令狀態(tài)事件分組就會給出相應的錯誤代碼；數(shù)據(jù)分組分為異步無連接(AsynchronousConnectionless,ACL)數(shù)據(jù)分組和同步面向連接(SynchronizationConnectionOriented,SCO)數(shù)據(jù)分組兩種。在本課題中，僅涉及到數(shù)據(jù)通信，而沒有涉及到語音通信，因此建設的是ACL鏈路。

單片機與藍牙模塊的軟件接口，就是指單片機如何通過軟件實現(xiàn)向藍牙模塊發(fā)送HCI指令，藍牙模塊又如何通過軟件向單片機返回HCI事件以及兩者之間如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。單片機和藍牙模塊間通信的過程是通過鍵入HCI指令，觀察收到的HCI事件。當兩個藍牙模塊建設鏈路成功后，就可以按照藍牙標準規(guī)定的HCI數(shù)據(jù)包格式收發(fā)數(shù)據(jù)。

在通過藍牙模塊進展數(shù)據(jù)通信時，首先要進展藍牙模塊的初始化和HCI層流控設置。典型的藍牙模塊間的ACL數(shù)據(jù)通信流程有6個步驟:藍牙模塊自身初始化InitBluetooth()、HCI流量控制設置FlowSet()、查詢Inquiry()、建設連接GreatConnection()、進展數(shù)據(jù)通信Data_Transmit(DataLength,HCI_Number)和斷開連接Disconnect()[5]。

初始化程序主要是單片機對藍牙發(fā)送一系列命令分組。單片機每向藍牙發(fā)送一個HCI命令分組就要接收藍牙返回的事件分組，判斷命令執(zhí)行的情況。假設返回事件分組不正確就要重新初始化藍牙，直到完全正確。藍牙設備在初始化完成之后，通過Set_Host_Controller_To_Host_Flow_Control指令翻開主機控制器到主機的流量控制，并通過HostBufferSize指令來對流量控制進展配置，包括數(shù)據(jù)分組的長度等。此后，主設備查詢周圍的藍牙設備，找到之后即可向其發(fā)出建設連接指令，建設ACL連接。成功建設連接之后就可以進展數(shù)據(jù)通信。通信完成后，主設備和從設備都可以發(fā)出斷開連接的命令Disconnect。在上述過程中，查詢過程不一定存在，所以這只是一般的流程模型。如果在任何一條指令分組發(fā)出后，返回錯誤的事件分組，則指令需重發(fā)直到正確為止[5]。本課題中，下、上位機的藍牙模塊間進展數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛄鞒虉D分別如圖4、5所示。圖4.點對點藍牙系統(tǒng)主方程序流程圖

圖5.點對點藍牙系統(tǒng)從方程序流程圖5．結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的不斷開展，將藍牙技術(shù)與數(shù)據(jù)采集技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建出的數(shù)據(jù)采集藍牙無線傳輸系統(tǒng)具有性能高、體積小、功耗低、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速度快、安裝維護方便適用于移動設備和便攜設備等優(yōu)點。本課題所設計的數(shù)據(jù)采集藍牙無線傳輸模塊，有效的實現(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，對于類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計具有很好的借鑒意義。

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