工業(yè)控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸中藍牙技術(shù)的應用研究

1前言

傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用線纜進行信息的傳輸，但繁瑣的布線會帶來諸多不便，特別是某些應用場合，不允許布線或無法布線。比如，由于上業(yè)控制現(xiàn)場通常環(huán)境惡劣，高溫、潮濕、振動、電網(wǎng)干擾嚴重，特別是存在電磁和無線電干擾環(huán)境中，要}s時間、連續(xù)、可靠、完整地傳送數(shù)據(jù)，就需要對線路進行電磁屏蔽和物理保護;在有的上業(yè)環(huán)境中，如運動或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備中，走線十分不方便。為了解決這些問題，宜采用無線方式進行信息傳輸。尋找一種短距離無線傳輸技術(shù)來解決上業(yè)控制現(xiàn)場的問題，成為了一種需要。

2方案的選擇

無線接入技術(shù)的特點之一是標準不統(tǒng)一，不同的標準有不同的應用，使得無線接入技術(shù)出現(xiàn)了百家爭鳴的局而，各種技術(shù)4.相競爭又4.相補充。表1列出了兒種現(xiàn)有常見的無線接入技術(shù)的卞要特性和指標的比較。

通過比較分析可以看一出，各種標準都是根據(jù)不同的使用場合、不同的用戶需求而制定的，應視實際需求選擇合適的標準。在上業(yè)控制現(xiàn)場線纜替換領(lǐng)域，藍牙是最合適的選擇。

2藍牙通信原理及協(xié)議層次結(jié)構(gòu)

藍牙技術(shù)規(guī)定了4種物理接口通用串行總線USBEIA-232 ,PC卡及通用異步收發(fā)器UART接口。1個藍牙系統(tǒng)一般由射頻單元鏈路控制單元鏈路管理和單元組成。藍牙無線射頻單元的指標是遵循關(guān)國聯(lián)邦通信委員會((FCC)有關(guān)電平為0 dB的ISM頻段的標準設(shè)計的，藍牙運行的頻段為2.4 GHz。系統(tǒng)采用跳頻和擴展頻譜技術(shù)，跳頻速率為1 600h/s，在建立鏈接時，提高為3200h/s，這使得藍牙技術(shù)更為可靠。在2.4 GHz和2. 48 GHz之間，采用79個間隔為1 MHz的頻點實現(xiàn)。藍牙鏈路管理單元負責鏈路的建立、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。藍牙鏈路管理單元能夠發(fā)現(xiàn)遠端其他藍牙鏈路管理單元并通過鏈路管理器協(xié)議與之通信。藍牙鏈路管理單元提供發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、設(shè)備號請求(查詢和報告設(shè)備ID最大}s度可達16位)、鏈路地址查詢、建立鏈接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商與建立(如數(shù)據(jù)模式或語音/數(shù)據(jù)模式)、決定幀的類別及功耗模式設(shè)置等服務(wù)。

藍牙( BlueLooLh)通信協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，各種藍牙設(shè)備論在任何地方，都可以通過人上或自動查詢來發(fā)現(xiàn)其他藍牙設(shè)備，從而構(gòu)成卞從網(wǎng)絡(luò)(piconeL)或分散網(wǎng)絡(luò)( scaLLerneL)實現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種功能。藍牙的軟件(協(xié)議)單元是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。其協(xié)議棧如圖1所示:

(1)核心協(xié)議:它是藍才協(xié)議的關(guān)鍵部分。包括基帶部分協(xié)議Baseband和其他低層鏈路功能的基帶/鏈路控制協(xié)議;用于鏈路的建立、安全和控制的鏈路管理器協(xié)議LMP;描述卞機控制器接口的HCI協(xié)議;支持高層協(xié)議復用、幀的組裝和拆分的邏輯鏈路控制和分配協(xié)議L2CAP;發(fā)現(xiàn)藍才設(shè)備提供服務(wù)的SDP協(xié)議等;(2)電纜替代協(xié)議RFCOMM:它是一種仿真協(xié)議，在藍才基帶協(xié)議上仿真RS-232控制和數(shù)據(jù)信號，為上層協(xié)議提供服務(wù);(3)電話控制協(xié)議TCS:它是而向比特的協(xié)議，定義藍牙設(shè)備間建立數(shù)據(jù)和話音呼叫的控制信令和處理藍牙TCS設(shè)備群的移動管f}進程;AT-Command控制命令集是定義在多用戶模式下控制移動電話、調(diào)制解調(diào)器和用于仿真的命令集;(4)與IWerne[相關(guān)的高層協(xié)議:它定義了與IWerne[相關(guān)的PPP , UDP ,TCP/IP協(xié)議及無線應用協(xié)議WAP 除了上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了卞機控制器接口(HCI)，它為基帶控制器、連接控制器、硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供命令接口。

3藍牙無線測控系統(tǒng)設(shè)計

藍牙無線測試系統(tǒng)如圖2所示。下位機信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路有兩種設(shè)計方式:一是信號調(diào)理電路卞要由前置放大器、低通濾波器和信號變換電路組成，數(shù)據(jù)采集模塊由多路選擇開關(guān)MUX,采樣保持器S/H和模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D組成;一是信號調(diào)理電路與數(shù)據(jù)采集電路統(tǒng)一由微處理器或嵌入式芯片來處理。

(1)測量前端:被測量可以是工業(yè)控制現(xiàn)場的多個量，根據(jù)被測環(huán)境和對象的不同，來選擇相應適合的傳感器。傳感器是測試系統(tǒng)的前端，用于完成電信號的獲得。作為信號輸入通道的第一道環(huán)y，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)y之一。由于傳感器技術(shù)的發(fā)展非常迅速，各種各樣的傳感器非常豐富，應根據(jù)不同應用場合選擇。
(2)信號調(diào)理:根據(jù)測控系統(tǒng)的實際工作環(huán)境需求，對前置放大器要求滿足高靈敏度，低噪聲和低漂移。為此，本系統(tǒng)可選用儀用放大器。
(3)數(shù)據(jù)采集:數(shù)據(jù)采集有諸多性能要求，這里不具體描述。通?？紤]成本問題，采用單片機完成的居多，圖3給出了一個基于單片機的數(shù)據(jù)采集電路連線圖，該設(shè)計可以對11組參數(shù)進行測控。當然，這里需對單片機進行軟件設(shè)計。

(4)藍牙收發(fā)模塊:在設(shè)備中增添藍牙功能有四條途徑:①連接在設(shè)備外部接口USB或RS-232上的硬件適配器;②在芯片級設(shè)計中集成藍牙功能;③在便攜式設(shè)備中嵌入完整的藍牙功能模塊;④利用便攜設(shè)備的標準插槽增添藍牙插卡。上述各種方案具有明顯的成本對上ili時間的利弊關(guān)系，同時也具有初看并不明顯的各自相應的優(yōu)點和問題。在工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域，為了縮短開發(fā)時間，y約開發(fā)成本，降低開發(fā)的風險，通常采用第一種途徑，即采用USB或RS-232硬件適配器。這里需選用一個藍牙技術(shù)平臺，口前ili場上此類藍牙芯片已經(jīng)很多。

(s)上位機軟件設(shè)計:上位機是測試系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它使整個系統(tǒng)成為一個智能化的有機整體。它的卞要任務(wù)是在軟件引導下按照預定程序控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與存儲，對采集的數(shù)據(jù)進行運算分析與處理，并以適當?shù)男问捷敵?、顯示、記錄和打印等;同時對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和系統(tǒng)的人機交b.功能，使得下位機可以根據(jù)前臺的控制來測試各項參數(shù)。

上位機軟件卞要由藍牙控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、人機界而模塊三部分組成，三個模塊的卞要功能如下:

(1)藍牙控制模塊:卞要負責本地藍牙設(shè)備的初始化，查找遠程藍牙設(shè)備，獲得藍牙設(shè)備的各項參數(shù)，藍牙設(shè)備間鏈接的建立和斷開以及透明地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等。
(2)數(shù)據(jù)處理模塊:將藍牙設(shè)備傳來的串行數(shù)據(jù)流按通道進行分離，對數(shù)據(jù)進行格式的轉(zhuǎn)換，并以一定的形式存放到存儲單元，以便人機界而模塊調(diào)用。
(3)人機界而模塊:提供圖形界而，捕捉用戶的控制指令并執(zhí)行相應的操作，將數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)以一定的形式顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交4.功能。

4結(jié)語

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，筆者選取了藍牙模塊進行了測試，測試結(jié)果表明，藍牙模塊軟硬件接口與實際應用環(huán)境透明友好，軟件實現(xiàn)容易。筆者認為，將藍牙技術(shù)應用于上業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸、信號傳輸?shù)目煽啃约坝行允窃O(shè)計的關(guān)鍵。