基于蓝牙无线传输的测量数据管理与分析系统实现与研究

 基于蓝牙无线传输的测量数据管理与分析系统实现与研究

卢新祖   ,肖方敏

杭州中测科技有限公司

摘要:蓝牙技术是一种新兴的低功耗、短距离的无线通信全球规范, 其目标是用微波取代传统网络中错综复杂的电缆。其程序写在蓝牙芯片中, 可以方便地嵌入到各种设备中。蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信。当一组设备通过蓝牙链接起来后, 就构成了微微网, 多个独立而非同步的微微网组成的群组则构成分散网。蓝牙技术使蓝牙设备, 如蓝牙移动电话、蓝牙便携式电脑等在近距离内组成个人区域网, 实现资源的无缝共享, 使人们能够随时随地进行语音和数据信息的交换与传输。

关键词：蓝牙技术；无线传输；测量数据；数据管理

现阶段蓝牙技术主要局限在通信、电子、网络、外设以及软件等领域。其他领域的制造商和科研工作者也逐渐认识蓝牙技术将给社会带来巨大的变革。因此, 各行业对蓝牙技术及其应用的探索与研究也悄然兴起。

由于测控技术与电子信号、数字技术、通信以及网络技术紧密相关, 所以蓝牙技术在测控领域中有着广泛的应用前景。本文详细给出蓝牙技术与测控技术相结合的蓝牙无线分布式测控系统的具体实现方案。这里蓝牙无线部分选用的Ericsson 公司的ROK 101 007 蓝牙模块。

1   蓝牙模块ROK 101 007

1. 1 蓝牙模块ROK 101 007 硬件描述

ROK 101 007 模块是一种在各式电子设备中实现蓝牙功能的短距离通信模块。它支持USB、UART 和I IC, 具有声音和数据传输的功能。该蓝牙模块符合蓝牙1. 1 版本, 并通过了FCC/ ETST 类型认证。其结构方框图如图1 所示, 主要包括三个部分: 基带部分、闪速存储器和工作在全球通用2. 4~ 2. 5GHz 的ISM 频段的射频模块。蓝牙射频用来实现蓝牙设备之间的无线传输,具体要完成频率的合成, 基带模块的数据bit 信号到无线电信号的转换过滤, 并负责将无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去。此模块射频部分是由蓝牙射频芯片PBA 313 01/ 2 来实现的。基带控制器负责蓝牙基带部分的功能, 完成对基带以及链路的管理, 包括对SCO( 同步) 和ACL( 异步) 连接方式的支持、差错控制、物理层的认识和加密、链路管理等。闪存中存放的是基带、链路管理层、主机控制接口的软件以及一些API, 用于对芯片进行配置。在使用时, 基带控制器首先把存放在闪存中的软件调到RAM 中, RAM 作为基带控制器的运行空间。

1. 2 蓝牙主控制器接口及其规范

蓝牙技术规范定义了主机控制接口( HCI) ,HCI 标准主要是定义主机控制蓝牙模块的各个指令意义, 其功能部件可分为3 个部分, 如图2 所示。第一部分传输固件位于蓝牙模块中如ROK 101 007的闪存内, 控制蓝牙模块内的硬件——主机控制器;第二部分为主机驱动程序位于主机内; 第三部分为实际的传输总线, 可以是USB、PC 卡和RS232 接口, 它们为主机提供向主控制器发送HCI 指令、HCI数据以及从主控制器接收HCI 指令和数据的能力。

在本系统中, 实际的物理传输选用的是RS232, 即主机( 前端的单片机和终端的PC) 通过RS232 接口与蓝牙模块相连接。通过RS232 可以传输4 种HCI 分组, 包括HCI 命令分组、HCI 事件分组、HCIACL 数据分组和HCI SCO 数据分组。主机上的RS232 驱动程序向主机控制器发出指令, 即指令经过RS232 物理接口传递到蓝牙模块上, 蓝牙模块内的固件负责将信号传递到数据链路层, 由数据链路层再来控制基带层的操作。同样, 主控制器收到指令并准备执行时, 将向主机返回一个指令状态事件。最基本的HCI 指令一般包括蓝牙模块复位、初始化、查询、建立链接、传送SCO/ ACL 数据等。

2 系统硬件组成

蓝牙无线分布式测控系统是由多个前端系统与一个终端系统构成的分布式交互通信系统。每台蓝牙前端系统都能与蓝牙终端系统交互通信, 各自也能相互通信。其系统组成框图如图3 所示。前端系统负责完成数据的采集、处理及现场显示, 终端监控系统负责信息的显示、处理并进行网络的集中控制管理。这样既实现实时状态监视, 又方便集中修改控制参数。前端系统和终端系统间的无线数据传输通过ROK 101 007 蓝牙模块完成。

2. 1 系统前端硬件构成

前端系统进行数据采集测量, 并由蓝牙模块无线传送到终端蓝牙系统。如图4 为一个简单的前端蓝牙测控系统的硬件框图, 它主要包括传感器电路、放大电路、V/ F 转换电路、看门狗电路、现场显示电路、报警电路、89C51 单片机与ROK 008 蓝牙模块等组成。V/ F 转换电路将电压转换为频率再通过单片机进行测量, 它适用于精度高、变化慢的系统,当然这里的采集测量也可以使用A/ D 转换电路来完成。蓝牙模块与单片机之间直接通过串口写入HCI 指令即可进行通信。

2. 2  系统终端硬件组成

终端系统通过RS232 将蓝牙模块与PC 连接。这里只需要MAX232 电平转换( TTL/ CMOS和RS232) , 其硬件原理如图 所示。

3  系统软件设计

3. 1  前端系统的软件实现

前端系统软件主要在单片机89C51 上编程, 实现HCI􀀁RS232C 传输层的通信。单片机主要基于汇编语言编程, 实现对前端来自传感设备数据进行HCI􀀁RS232 信息格式的打包, 然后通过传输层接口RS232 实现和蓝牙模块之间的数据传递。单片机采用方式1, 其程序流程图如图6 所示。通过对蓝牙串口写入HCI 指令完成蓝牙设备的初始化、ACL 连接和ACL 数据传输等, 然后通过计数器和定时器测出频率并转化为电压值, 最后显示电压并打包成ACL 数据包传输给终端蓝牙系统。这里需注意波特率匹配问题, ROK 101 007 蓝牙模块UART 的默认波特率是57 600bit / s, 这样单片机的晶振至少为22. 1084MHz。Ericsson 公司也给出了其相应的HCI 指令来改变波特率, 但断电后蓝牙模块波特率将恢复为57 600bit / s。通常在测控系统中单片机的晶振、波特率不会很高, 所以在实际设计时要注意这一问题。

3. 2 终端系统的软件实现

终端系统的软件实现如图7 所示。终端软件部分实现了蓝牙硬件的指令软控制、远端设备的测量控制以及采集数据的后台处理、图形化显示。整个程序采用Visual C+ + 在PC 上实现。蓝牙硬件的软控制部分主要是在串口调用HCl 指令, 通过有效的会话机制实现蓝牙设备的稳定工作。远端设备的控制字和测量数据的传输基于蓝牙的无线通道, 通过定义应用层次的包结构确保数据传输的完整。终端软件通过采用人性化的图形界面, 提供了一个易用的人机交互接口。测量波形的动态实时显示更是秉承了传统测量仪器的优势。

4 蓝牙应用于测控系统的优缺点

蓝牙无线网络测控系统是利用蓝牙技术在短距离内传送测量数据和控制信息, 该系统具有如下优点:

1. 解决现场的复杂连线, 无需铺设电缆, 降低环境成本, 同时也适用于较恶劣的环境;

2. 抗干扰能力强。采集测控现场数据经常遇到大量的电磁干扰, 而蓝牙设备采用跳频技术, 可以有效提高数据传输的安全性和可靠性;

3. 没有方向上限制, 可以从各个角度进行测控数据的传输;

4. 蓝牙技术可以应用于移动设备;

5. 可以实现多个测控仪器设备间的联网, 便于进行集中测控;

6. 利用现有的蓝牙网关设备可以将采集到的信息连接可以太网中, 实现数据的远程监控。

然而, 尽管蓝牙技术发展很快, 目前仍然存在一些问题阻碍其尽快实用。首先, 价格是目前影响蓝牙产品推广应用的主要瓶颈。蓝牙芯片的价格对测控仪器设备制造商来说仍显偏高。其次, 蓝牙技术的互操作性( 互通) 并不完善, 尽管支持蓝牙的厂商越来越多, 但不同制造商生产的蓝牙组件之间在互通上还存在问题。再有, 蓝牙技术标准目前的通信距离短, 还不能完全适应测控系统的需要。所以, 蓝牙技术还有待于不断发展走向成熟。

5 结束语

蓝牙技术作为一种新兴的无线通信技术, 具有体积小、功耗低、全球性、开放性和互操作性等特点。相信随着蓝牙技术的进一步发展和成熟, 它必将给无线网络化测控系统的移动数据交换、无线化、透明化和一体化带来光明的前景。

参考文献

1 Ericsso n. Bluetooth􀀁ROK 101 007

2 卢伟国等. 基于蓝牙的无线数据采集系统. 电测与仪表,2002( 9)

3 何胜等. Bluetooth 无线技术在电力系统中的应用研究. 电测与仪表, 2002( 6)