基于A(yíng)RM的藍牙實(shí)時(shí)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(wú)線(xiàn)數據采集系統。結合嵌入式技術(shù)與藍牙技術(shù)的優(yōu)勢,解決了傳統工業(yè)現場(chǎng)數據采集系統中無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足低功耗、低價(jià)格與高性能,并受到電纜布線(xiàn)限制和使用不便等問(wèn)題。采用藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)來(lái)實(shí)現數據的采集,使得數據的采集和遠程監測更為簡(jiǎn)單和方便,并且提高了數據采集的抗干擾性能。

1 引言

隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是無(wú)線(xiàn)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)數據采集、測量領(lǐng)域來(lái)講，由于測量種類(lèi)多、數據量大，且存 在許多條件惡劣、人們不易到達或不能時(shí)刻停留的地方偶爾采集一些現場(chǎng)數據，因而不但需 要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行設備的維護，同時(shí)給采集帶來(lái)很多不必要的麻煩。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種基于ARM 的藍牙實(shí)時(shí)數據采集系統。采用嵌入式 操作系統Windows CE，對通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸方式集中的傳感器采集數據，進(jìn)行控制、顯示、 處理，實(shí)現工業(yè)實(shí)時(shí)數據的采集。ARM 技術(shù)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(kāi)發(fā)提供了良好的平臺。同時(shí)，它 體積小，功耗低，運行性能優(yōu)越，能很好的應對于工控應用方面。而藍牙技術(shù)是一種短距離、 低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用跳頻機制進(jìn)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(jiǎn)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(lái)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(shù)的優(yōu)勢，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 系統總體設計

基于 ARM 的藍牙實(shí)時(shí)數據采集系統由基于A(yíng)RM 的數據中心、單片機智能節點(diǎn)和藍牙 無(wú)線(xiàn)通信鏈路三大部分組成。數據中心，采用基于A(yíng)RM9 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(chǎng)數據、控制目標設備提供友好、 方便的用戶(hù)接口；單片機節點(diǎn)，負責采集現場(chǎng)數據，通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信鏈路，通過(guò)在數據中心和單片機節點(diǎn)安裝的藍牙 模塊實(shí)現?？紤]到系統的可擴展性，系統還可以通過(guò)RS-232 接口實(shí)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(shí)時(shí)數據采集系統的硬件設計包含藍牙模塊天線(xiàn)和外圍電路、基于 ARM 的數據中心、單片機節點(diǎn)三個(gè)部分?，F在分別對各個(gè)主要模塊做簡(jiǎn)單介紹。

3.1 藍牙模塊天線(xiàn)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(xié)議，對用戶(hù)提供全雙工UART 接口和射頻信號輸出，使用戶(hù)能通過(guò)UART 控制 模塊操作，并通過(guò)天線(xiàn)將承載數據的射頻信號發(fā)射出去。

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

其中，天線(xiàn)的性能好壞直接關(guān)系到整個(gè)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(jìn)行具有針對性的設計。在此由于DFBM-CS120 有一個(gè)天線(xiàn)管腳Antenna， 輸出2.402~2.480GHz 射頻信號，天線(xiàn)管腳的輸出阻抗為50Ω。根據最大功率傳輸定理，在 天線(xiàn)管腳上外接阻抗50Ω的AT3216 多層陶瓷天線(xiàn)?？紤]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(xiàn)管腳和藍牙天線(xiàn)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(lái)放大射頻信號。天線(xiàn)電路框圖如圖3 所示。

3.2 基于A(yíng)RM 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(guān)、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(wǎng)、支持藍牙模塊通信接口。根 據要求，結合嵌入式系統業(yè)內流行的開(kāi)發(fā)平臺，在此選擇基于A(yíng)RM9 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(gè)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(pán)；平臺外設 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網(wǎng)控制器、USB 和UART。

硬件平臺的整體設計圖如圖 4 所示。