基于ARM的藍(lán)牙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種基于ARM的藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。結(jié)合嵌入式技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢,解決了傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中無法同時(shí)滿足低功耗、低價(jià)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(lán)牙無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,使得數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測更為簡單和方便,并且提高了數(shù)據(jù)采集的抗干擾性能。

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(dá)或不能時(shí)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(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，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。