基于ARM的藍牙實時數據采集系統的設計

摘要：本文提出了一種基于ARM的藍牙無線數據采集系統。結合嵌入式技術與藍牙技術的優勢,解決了傳統工業現場數據采集系統中無法同時滿足低功耗、低價格與高性能,并受到電纜布線限制和使用不便等問題。采用藍牙無線通信技術來實現數據的采集,使得數據的采集和遠程監測更為簡單和方便,并且提高了數據采集的抗干擾性能。

1 引言

隨著計算機技術的發展，尤其是無線技術廣泛深入到人們生活的各個方面，使人們的生 活發生了深刻的變化。就工業數據采集、測量領域來講，由于測量種類多、數據量大，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場數據，因而不但需 要花費大量的人力、物力和財力進行設備的維護，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 的藍牙實時數據采集系統。采用嵌入式 操作系統Windows CE，對通過藍牙無線傳輸方式集中的傳感器采集數據，進行控制、顯示、 處理，實現工業實時數據的采集。ARM 技術為內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，為控制系統的應用程序開發提供了良好的平臺。同時，它 體積小，功耗低，運行性能優越，能很好的應對于工控應用方面。而藍牙技術是一種短距離、 低功耗的無線通信技術，采用跳頻機制進行數據傳送，故能極大地提高數據傳送的抗干擾性 能。對于數據采集系統的應用而言，兩者的結合大大簡化了分布采集設備繁瑣的配置和系統 復雜度，且大大降低了功耗和體積。由其帶來的系統靈活性，使得系統的應用更加廣泛。該 系統充分體現了嵌入式系統和藍牙技術的優勢，具有一定的實用價值。

2 系統總體設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統由基于ARM 的數據中心、單片機智能節點和藍牙 無線通信鏈路三大部分組成。數據中心，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，可為操作人員管理現場數據、控制目標設備提供友好、 方便的用戶接口；單片機節點，負責采集現場數據，通過藍牙無線通信鏈路接收數據中心命 令并將數據上傳給數據中心；藍牙無線通信鏈路，通過在數據中心和單片機節點安裝的藍牙 模塊實現。考慮到系統的可擴展性，系統還可以通過RS-232 接口實現ARM 數據中心與PC機的數據通信。系統總體構成如圖1 所示。

3 系統硬件設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統的硬件設計包含藍牙模塊天線和外圍電路、基于 ARM 的數據中心、單片機節點三個部分。現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，在此采用嵌入式藍牙模塊 DFBM-CS120。它集成了藍牙 標準通信協議，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據的射頻信號發射出去。

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

其中，天線的性能好壞直接關系到整個藍牙通信系統能否正常傳輸數據，必須采用射頻 電路的設計方法進行具有針對性的設計。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。考慮到由于制造參數與設計參數之間的 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型網絡，用來放大射頻信號。天線電路框圖如圖3 所示。

3.2 基于ARM 的數據中心

基于 ARM 的數據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、系統擴展性好。具體到硬件上，對ARM 系統的基本要求是支持Windows CE 操作 系統、支持彩色LCD、支持觸摸屏、支持USB、支持以太網、支持藍牙模塊通信接口。根 據要求，結合嵌入式系統業內流行的開發平臺，在此選擇基于ARM9 處理器S3C2410 的硬 件平臺作為數據中心。將藍牙模塊作為S3C2410 硬件平臺的一個UART 外設安裝，數據中 心便具有了藍牙通信功能。

S3C2410 硬件平臺的設計分為核心系統設計和外圍設計兩大部分。平臺核心系統包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平臺的內存，Flash 相當于平臺的硬盤；平臺外設 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網控制器、USB 和UART。

硬件平臺的整體設計圖如圖 4 所示。

3.3 單片機節點

單片機節點是本系統的底層設備，正常工作時作為總控制器，協調控制其他監測器件或 模塊工作，完成數據采集、測量、加工及與數據中心的通信、接受命令和數據傳送等任務。 本系統中，單片機節點模塊的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 味著單片機節點軟件可以用C51 語言設計，不必因為擔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 機聯機以調試編寫的藍牙通信軟件，調試完成后再將 其移植到與藍牙模塊通信的串口上，無需為軟件調試改動任何硬件，大大降低了硬件的復雜 性，提高了軟件開發速度。

4 系統軟件設計

基于 ARM 的藍牙實時數據采集系統的軟件設計包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系統平臺的搭建；第二部分是基于Windows CE 操作系統，運行于數據中心藍牙 數據采集應用程序的設計；第三部分是單片機節點的藍牙通信軟件的實現。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系統的搭建

Windows CE(簡稱WinCE)是當今市場上主流嵌入式操作系統中應用最廣泛的。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，具有 可靠性高、實時性好、模塊化和小內存占用、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，廣泛應用于各種嵌入式智能設備開發。

由于嵌入式智能平臺不論是CPU 架構還是外圍硬件都是多種多樣的，移植WinCE 需要 開發者根據具體平臺要求對系統進行修改和定制。移植WinCE 操作系統主要有兩部分內容： 一是定制BSP 代碼，包括Bootloader、OAL 以及驅動程序；二是運行調試WinCE 操作系統， 主要是運用開發工具編譯、下載、運行和調試操作系統映像。

4.2 基于Windows CE 的藍牙數據采集程序的設計

由于 DFBM-CS120 藍牙模塊通過串口進行通信，而WinCE 的驅動程序己經以“文件” 的形式封裝了串口，開發者無需編寫操作串口硬件的代碼，所以藍牙數據采集程序沒有必要 設計驅動程序，只考慮設計應用程序即可。 本系統中，基于 WinCE 的藍牙數據采集程序采用Embedded Visual C++集成開發環境， 基于MFC 庫，采用面向對象的設計方法設計。藍牙數據采集程序的主要任務就是通過串口 發送和接收數據，因此串口編程是設計藍牙數據采集程序必須實現的部分。WinCE 的驅動 程序己經將串口以“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 函數就可打開和讀寫串口。這些 API 函數分別是：CreateFile、ReadFile 和WriteFile。

4.3 單片機節點程序設計

單片機節點負責采集數據并把數據通過藍牙模塊發送給數據中心，程序設計的重點是實 現藍牙數據通信。單片機程序在Keil μVision2 開發環境下，采用C51 語言編寫。單片機節 點程序設計包括如下幾個部分：1.配置串口；2.根據串口中斷程序設計單片機-藍牙模塊通訊 程序；3.通信幀格式設計。

單片機節點與數據中心建立連接后，串口中斷程序接收并識別數據中心的命令，由于數 據和命令是透明傳輸，單片機節點和數據中心之間必須設計通信協議，規定命令幀和數據幀 的幀頭、幀尾、幀長、幀類型、校驗等信息，二者才能正常互傳數據。通信幀格式設計如下：

5 結束語

本文將藍牙通信技術和 ARM 嵌入式系統應用于工業數據采集中，開發了一套新穎的無 線數據采集系統。系統包括數據中心、藍牙通信和單片機節點三部分。數據中心的硬件、軟 件功能強大，基于以ARM9 處理器S3C2410 為核心的硬件平臺設計，運行 Windows CE 操 作系統，開發了基于 Windows CE 的藍牙數據采集應用程序。通過數據中心和單片機節點 的藍牙模塊，數據中心能夠在距離單片機節點半徑約10 米以內的任何位置方便地與智能節 點交換命令和數據，不受傳輸角度和節點安裝位置的限制。

本文作者創新點：在以 ARM9 芯片為核心的嵌入式數據采集系統中，采用藍牙無線通 信DFBM-CS120 芯片，實現高速實時數據信號采集和無線數據傳輸。與有線數據傳輸相比，更加方便靈活，具有較高的可靠性。在軟件設計上采用Windows CE 實時多任務系統，實現 了系統初始化、數據采集、無線通信等任務進行調度和管理。試驗結果表明，該系統硬件電 路簡單、可靠性強，軟件設計合理，滿足了實時信號采集和無線數據傳輸的要求。