基于A(yíng)RM7的藍牙接入點(diǎn)的設計與應用

摘要：近幾年來(lái)，在工業(yè)現場(chǎng)上越來(lái)越多的使用了藍牙技術(shù)。藍牙技術(shù)在工業(yè)上的應用大概可以分為代替串行線(xiàn)纜、結合藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)接入點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳感器和起動(dòng)器四個(gè)方面。本文著(zhù)重介紹了藍牙接入點(diǎn)的硬件系統結構和軟件流程，并針對在工業(yè)現場(chǎng)上使用藍牙接入點(diǎn)將閥門(mén)、流量計、溫度變送器等幾個(gè)藍牙設備連接到工業(yè)以太網(wǎng)中，實(shí)現了帶藍牙通信模塊的工業(yè)設備和現有的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信。

1引言

在工業(yè)現場(chǎng)中，由于有些環(huán)境比較惡劣，布線(xiàn)不方便等因素可以采用藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現數據的通信。同時(shí)，工業(yè)現場(chǎng)中有很多以不同方式互連的設備，其中包括非智能化簡(jiǎn)單數據連接單元 (I/O)、智能化設備 (比如智能傳感器、單回路控制器和 PLC)和監控系統 (作為 HMI使用，用于數據記錄和監控 )等。這些設備大都是以各種不同的通信協(xié)議和媒介來(lái)互連的，其中有些就可以用藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)代替。本文以 AT91R40008為例，結合 BCM04藍牙模塊開(kāi)發(fā)了基于藍牙通信的工業(yè)接入點(diǎn)，組建了基于藍牙通信的閥門(mén)、流量計、溫度變送器測試系統，實(shí)現了帶有藍牙通信模塊的工業(yè)設備和現有的有線(xiàn)網(wǎng)路的通信。 2藍牙技術(shù)簡(jiǎn)介

藍牙(bluetooth)是一種短距的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，電子裝置彼此可以透過(guò)藍牙模塊而連接起來(lái)，省去了傳統的電線(xiàn)。透過(guò)芯片上的無(wú)線(xiàn)接收器，配有藍牙技術(shù)的電子產(chǎn)品能夠在十公尺的距離內彼此相通，傳輸速度可以達到每秒鐘 1兆字節。同時(shí)，藍牙支持設備短距離通信(一般是 10m之內)。能在包括移動(dòng)電話(huà)、 PDA、無(wú)線(xiàn)耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設等眾多設備之間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信息交換。藍牙的標準是 IEEE802.15，工作在 2.4GHz頻帶，帶寬為 1Mb/s。

藍牙技術(shù)在工業(yè)現場(chǎng)上的應用大致可以分為四個(gè)方面：

(1) 代替串行線(xiàn)纜。無(wú)線(xiàn)藍牙連接可以代替當前的串行線(xiàn)纜。

(2) 結合藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用藍牙帶來(lái)的 CPU處理能力，給設備添加更多功能，如內置的 WEB用戶(hù)接口。

(3) 工業(yè)接入點(diǎn)。通過(guò)接入點(diǎn)將數個(gè)藍牙設備連接到傳統的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，比如 IP網(wǎng)絡(luò )(如以太網(wǎng))或者工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(如 Controlnet和 Profibus等)。

(4) 無(wú)線(xiàn)傳感器和起動(dòng)器。利用藍牙來(lái)將與物理制程關(guān)系昀密切的設備 (傳感器、起動(dòng)器和簡(jiǎn)單的模擬 /數字 IO設備)連接到監控系統。

3 藍牙接入點(diǎn)的系統設計

在工業(yè)現場(chǎng)中使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這就要求工業(yè)設備使用藍牙功能，并能和現有的以太網(wǎng)或者工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相連。在這里，藍牙接入點(diǎn)就好像一個(gè)“電話(huà)交換機”，通過(guò)以太網(wǎng)供電設備和上位機進(jìn)行通信，以及通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式和工業(yè)現場(chǎng)設備進(jìn)行數據交換，實(shí)現上位機對現場(chǎng)設備的數據采集、監測和控制。本文將藍牙接入點(diǎn)的系統設計分為硬件體系結構和軟件設計兩個(gè)部分。下面將對這兩部分進(jìn)行具體說(shuō)明。

3.1 硬件體系結構

該藍牙接入點(diǎn)包含了微處理器( AT91R40008)、存儲器、藍牙通信模塊、網(wǎng)絡(luò )通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設計中，電源使用了以太網(wǎng)供電設備，該設備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經(jīng)過(guò)電平轉換，為微處理器、存儲器、藍牙通信模塊等提供所需的 +3.3V和+1.8V電源。 32位的微處理器 AT91R40008通過(guò)串口 0和串口 1與串口通信部分和藍牙模塊進(jìn)行數據交換。圖 1為藍牙接入點(diǎn)的硬件框圖。下面就其具體原理進(jìn)行說(shuō)明。

3.1.1 微處理器 AT91R40008

AT91R40008是 Atmel AT9116的 32位的微控制器系列產(chǎn)品。它以 ARM7TDMI 處理器內核為基礎。該處理器有一個(gè)高性能 32位精簡(jiǎn)指令系統和一個(gè)高密度 16位的指令系統，同時(shí)具有較低的能耗。AT91R40008具有片上的 SRAM或 ROM、完全可編成的外部總線(xiàn)接口(EBI)、32個(gè)可編程的 I/O口、8個(gè)優(yōu)先級、4個(gè)外部中斷、2個(gè) USART及 16位的定時(shí)器/計數器等特點(diǎn)。除此之外，在內部寄存器實(shí)現對異常情況的快速處理，可以方便的進(jìn)行即時(shí)控制和應用編程。

AT91R40008以與外部存儲器的直聯(lián)為特色,由外部 FLASH，經(jīng)過(guò)完全可編程外部總線(xiàn)接口 (EBI)、一個(gè)八位優(yōu)先向量中斷控制器,，及外部數據控制器，大大提高了處理器的即時(shí)性能。 AT91R40008使用 Atmel的高密度 CMOS技術(shù)， ARM7TDMI 處理器內核結合了片上高速存儲器及其外部設備，使其具有非常強大的功能。

微處理器部分的設計包含系統硬件的啟動(dòng)與復位，地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)的分配和定義，通過(guò)串行線(xiàn)對藍牙模塊的讀寫(xiě)等。

系統由外部的 50M鐘振作為時(shí)鐘源向 cpu輸入時(shí)鐘信號。復位電路由 10uF的電容、10K的電阻及按鍵組成低電平復位電路。該復位電路可實(shí)現上電低電平自動(dòng)復位或者手動(dòng)復位。AT91R40008內部 ROM為 128K，外部昀大可擴 64M的存儲器，由于設計需要，在設計中擴展了一片 2M字節的 SST36VF160對大量的軟件程序進(jìn)行存儲。由于 AT91R40008內部包含的 SRAM已達 256K，對于數據存儲已夠用了，所以在外部沒(méi)有進(jìn)行 RAM的擴展。網(wǎng)卡芯片 AX88796通過(guò)片選線(xiàn)、中斷線(xiàn)、讀寫(xiě)信號控制線(xiàn)和地址數據總線(xiàn)和 cpu相連，實(shí)現藍牙接入點(diǎn)和上位機的網(wǎng)絡(luò )通信。AT91R40008通過(guò)串口 1實(shí)現與藍牙模塊的數據交換，通過(guò)串口 0實(shí)現和上位機之間的串口調試。

3.1.2 FLASH存儲器 SST36VF160

由于該系統是應用與工業(yè)現場(chǎng)以太網(wǎng)中，在軟件中必須加入相應的以太網(wǎng)規范標準，所以在系統設計中，在 cpu的外部拓展了 2M字節的 FLASH。SST39VF160是一個(gè) 1M×16的 CMOS多功能 FLASH器件，由 SST特有的高性能的 SuperFlash技術(shù)制造而成。 SST39VF160功耗較低，工作電壓為 3.3V，具有高性能的編程功能，字編程時(shí)間為 14us。基于 SST39F160的這些優(yōu)點(diǎn)選用這款 FLASH，在實(shí)踐中證明這款 FLASH能夠更方便和更低成本的滿(mǎn)足程序配置和數據存儲的要求。

3.1.3 藍牙模塊 BCM04是滿(mǎn)足自適應的可進(jìn)行數據交換和語(yǔ)音通信的藍牙通信模塊。其體積小，為 17.5×15.0×2.3mm;工

作電壓為 1.8V，功耗較低;以 UART為主接口，另有語(yǔ)音接口、 SPI接口、 PIO口等，其結構框圖如圖 2所示; BCM04內部集成了 16Kbits的 EEPROM和 4Mbits的 FLASH/ROM，具有豐富的存儲器資源。