采用藍牙技術(shù)的數據記錄儀設計

過(guò)去五年藍牙的增長(cháng)是有目共睹的。然而，在大多數消費者的印象中，藍牙仍然是連接移動(dòng)電話(huà)與耳機的無(wú)線(xiàn)通信媒介。盡管情況確實(shí)基本如此，但藍牙正在工業(yè)數據記錄等通信領(lǐng)域迅速獲得普及。

本文將要討論的就是這種應用，并將介紹藍牙數據記錄儀(data logger)的詳細設計。該藍牙數據記錄儀從奧地利微電子公司AS1530 12位模數轉換器(ADC)獲得數據，然后通過(guò)微處理器和藍牙鏈路將數據傳給等待收集數據并將數據存放于電子表格中的PC機。工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展趨勢是通過(guò)將并行數據傳輸替換為串行“Profibus”數據而減少通信線(xiàn)對，該設計完全順應這種趨勢，并且取消了通信連線(xiàn)。

實(shí)現架構

數據記錄儀電路內有一個(gè)連接到PIC微控制器的AS1530 ADC，利用RS232線(xiàn)纜連接到BlueGiga WT12藍牙模塊進(jìn)行通信。該模塊通過(guò)藍牙鏈接將數據發(fā)送到第二個(gè)完全相同的BlueGiga WT12模塊，第二個(gè)WT12模塊再通過(guò)RS232線(xiàn)纜連接到PC機。PC機上運行著(zhù)用Visual Basic Version 6編寫(xiě)的一個(gè)Windows程序，該程序將接收到的數據載入Excel電子表格供分析和制圖。

數據記錄儀由5V臺式電源供電。為了確保微控制器能安全工作，記錄儀采用了一款功耗非常低的監視器件AS1904進(jìn)行電源監控，該器件消耗的電流一般為150nA。數據記錄儀電路消耗的電流約為16mA，BlueGiga模塊的平均消耗電流為44.7mA。因此，如果整個(gè)電路都用線(xiàn)性穩壓器供電的話(huà)，150mA的低壓差線(xiàn)性穩壓器AS13985就可以勝任。

模擬前端

模擬前端由12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC AS1230組成。如果輸入信號小于A(yíng)DC的供電電壓(本例為5V)，并且具有較低的源阻抗，那么它就可以被直接送入ADC的輸入端。

ADC的輸入電路可以被建模為一個(gè)簡(jiǎn)單的RC電路，其中R代表信號的源阻抗，C代表ADC的采樣電容。充電中的RC電路可以用下列等式表示：

其中，Vmax是充電電壓、V是電容兩端的電壓、采樣電容為18pF、采樣時(shí)間t等于390ns。ADC輸入端必須處理的最壞電壓變化是在一個(gè)輸入通道被設為0V、相鄰通道被設為2.5V的時(shí)候。此時(shí)輸入電容必須在390ns內充電到2.5V，并滿(mǎn)足1/2 LSB精度要求。

由于

因此

那么

據此可以推算出最小的源阻抗R=2.4kΩ。這里，MUX的輸入阻抗是800Ω，因此信號的源阻抗必須小于1.6kΩ。如果待數字化信號的源阻抗太高，可以用運放進(jìn)行放大和/或緩沖。

PIC16F627微控制器采用SPI接口從AS1530存取數據，SPI接口由片選(CSN)、串行時(shí)鐘(SCLK)、數據輸入(DIN)和數據輸出(DOUT)組成。CSN線(xiàn)對數據進(jìn)行組幀，數據在SCLK線(xiàn)的上升沿寫(xiě)入AS1530或讀出來(lái)。數據流由8個(gè)用于選擇輸入通道、輸入范圍和電源模式的控制位和緊接其后的16位輸出數據組成。一旦轉換完成，ADC就進(jìn)入編好的電源模式(電源完全關(guān)閉、省電或正常工作)。

為了獲得理想的精度，必須仔細設計電路板版圖，并對芯片的電源引腳和參考引腳進(jìn)行去耦處理。模擬和數字電源必須分開(kāi)來(lái)，盡管這兩個(gè)電源都是從同一個(gè)電源產(chǎn)生的?？梢詮闹麟娫床純筛呔€(xiàn)實(shí)現，一根寬線(xiàn)到模擬引腳(VDD1和VDD3)，另一根線(xiàn)到數字電源引腳(VDD2)。數字電源消耗的電流將產(chǎn)生一個(gè)調制電壓到數字電源線(xiàn)上，如果該電源同時(shí)連到芯片的模擬電源引腳，這種電壓調制將破壞ADC的LSB。提供獨立的供電線(xiàn)路可以解決這個(gè)問(wèn)題。

AS1530的地與模擬和數字電源一樣重要。從GND引腳到主板電源地引一根寬線(xiàn)可以為返回電流提供良好的低阻抗路徑，要想獲得最佳性能這一措施非常重要。

去耦電容應放置在靠近芯片的模擬和數字電源引腳的位置，另一端要靠近AS1530的GND引腳。這樣可以確保芯片電源引腳上呈現的交流電壓保持為零。10uF的鉭電容并聯(lián)100nF的陶瓷電容可以最大程度地衰減電源線(xiàn)上出現的任何噪聲，同時(shí)為AS1530產(chǎn)生的任何浪涌電流提供低阻抗路徑。

該設計采用了AS1530的內部參考電壓。如果要用外部參考電壓，需要在靠近REF引腳的位置放置一個(gè)4.7uF低阻抗電容進(jìn)行去耦。因為它直接連到R-2R梯形網(wǎng)絡(luò )，因此SAR ADC參考電壓引腳的輸入阻抗會(huì )隨數字碼流而變化。

微控制器與Windows程序

1. 數據記錄儀端

在數據記錄儀側，微控制器用的是PIC16F627A，代碼用C語(yǔ)言編寫(xiě)，編譯器是Hi Tech C編譯器。微控制器的內部UART被設置在115.2kbps的波特率，以匹配藍牙模塊默認的波特率。數據通過(guò)工業(yè)標準(2Tx/2Rx)電平轉換器轉換后在RS232鏈路上傳送。

2. RS232通信原理

所有到藍牙模塊的通信都在RS232接口上實(shí)現。就像生活中遇到的許多事那樣，看似簡(jiǎn)單做時(shí)難，RS232也不例外。在推薦標準RS232規范制定的時(shí)候，計算機被稱(chēng)為終端，有時(shí)它們需要連接到像調制解調器這樣的通信設備。因此共有兩類(lèi)設備可用RS232標準進(jìn)行相互連接，它們分別是數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)，通常計算機(或終端)被配置為DTE，大多數與它們相連的設備被配置為DCE(如調制解調器)。它們絕大部分用標準的9線(xiàn)RS232電纜連接，電纜一頭的每個(gè)腳與另一頭的相應腳連接，電纜內沒(méi)有交叉線(xiàn)。

DTE在引腳3上發(fā)送數據，在引腳2上接收數據。同樣在另外一端，DCE在引腳3上接收數據，在引腳2上發(fā)送數據。在90%的RS232應用中還會(huì )用到其它兩個(gè)信號，即RTS(準備好發(fā)送)和CTS(清除發(fā)送)。電纜兩端的設備都有RTS和CTS信號，一頭的RTS直接連到另一頭的CTS，反之亦然。兩端的RTS都是輸出信號，CTS都是輸入信號。

在任何數據發(fā)送前，兩端設備都要設置它們的RTS線(xiàn)(因為它們都能隨時(shí)發(fā)送和接收數據)。如果發(fā)送器使RTS有效，接收器的CTS線(xiàn)也隨即有效，因為它們是直接相連的。當發(fā)送設備開(kāi)始發(fā)送數據時(shí)，它再使RTS線(xiàn)失效(隨即接收器的CTS失效)。使CTS失效就告訴接收器它沒(méi)有清除發(fā)送數據，這會(huì )使接收器延遲發(fā)送任何信息。如果發(fā)送器發(fā)送信息太多(和接收器過(guò)載)，接收器可隨時(shí)使RTS線(xiàn)失效(同時(shí)使發(fā)送器的CTS線(xiàn)失效)，從而指示發(fā)送器停止發(fā)送數據。

藍牙模塊被配置為DCE，因此在A(yíng)S1530端的微控制器被配置為DTE，這樣它就在引腳3上發(fā)送數據，在引腳2上接收數據。它還使用RTS/CTS握手，在9針連接器的引腳7上發(fā)送RTS，在引腳8上接收CTS。需要注意的是，如果微控制器準備連到PC機上的HyperTerminal(用于測試)，Tx和Rx線(xiàn)就需要交換，RTS和CTS線(xiàn)也要交換，相當于將微控制器從DTE改為DCE。

標準的RS232電平轉換器用于連接微控制器和RS232數據線(xiàn)。應該注意的是，在發(fā)送到藍牙模塊的每個(gè)命令后面都需要跟一個(gè)回車(chē)鍵。在用鍵盤(pán)輸入時(shí)這個(gè)簡(jiǎn)單的操作經(jīng)常被疏忽，如果回車(chē)鍵不發(fā)送的話(huà)，設計師可能要花數小時(shí)的冤枉時(shí)間去分析模塊為何不能正常工作。

藍牙模塊可以通過(guò)編程賦于一個(gè)“好記的”名字，從而允許其它藍牙設備方便地通過(guò)12位16進(jìn)制地址以外的符號進(jìn)行識別。當數據記錄儀上電時(shí)，16F627A對數據記錄儀端的藍牙模塊賦于一個(gè)名字“AMS_ADC”。

3. PC端

Windows程序采用Visual Basic Version 6進(jìn)行編寫(xiě)。該程序復用了微軟的超級終端(HyperTerminal)，可以搜索、連接和斷開(kāi)與數據記錄儀的鏈接。Windows屏幕如圖1所示。

圖1中的文本窗口顯示了藍牙模塊復位后送出的消息。左邊是與藍牙模塊通信所需的控制區。

圖1：藍牙數據記錄儀截屏圖。

在復位后，用戶(hù)點(diǎn)擊按鈕就可以通知藍牙模塊發(fā)送搜尋所有本地藍牙設備的查詢(xún)命令。圖2顯示了處理狀態(tài)。

圖2：發(fā)送查找本地藍牙設備處理過(guò)程。

點(diǎn)擊按鈕會(huì )向藍牙模塊寫(xiě)入文本“INQUIRY 10 NAME”，告訴它在定時(shí)時(shí)間結束以前等待10秒，并查詢(xún)所有本地藍牙設備的名字。

然后藍牙模塊反饋找到了多少臺設備以及它們的12位16進(jìn)制地址和名字。從圖中可以看到設備“AMS_ADC”的地址是00:07:80:80:c2:11。用戶(hù)可以選中這個(gè)地址然后拷貝到“Address:”窗口。接著(zhù)點(diǎn)擊按鈕，Windows程序向這個(gè)地址發(fā)送“CALL”命令，如下行所示：

CALL 00:07:80:80:c2:11 1 RFCOMM。

藍牙設備發(fā)回一個(gè)CALL 0語(yǔ)句，告訴用戶(hù)CALL過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。一旦建立起與遠端記錄儀的通信，藍牙設備會(huì )回送一條“CONNECT”語(yǔ)句。一旦連接建立，隨后所有的文本都由數據記錄儀而非藍牙設備產(chǎn)生。數據記錄儀通過(guò)發(fā)送文本“LOGGER CONNECTED”表明與AS1530的通信已經(jīng)建立。Windows程序同時(shí)會(huì )打開(kāi)一個(gè)名為C:AMS_ADC.xls的文件，并將接收到的數據存于其中。

圖3：數據記錄儀端的電路圖。

用戶(hù)再點(diǎn)擊按鈕清除屏幕，將程序從接收文本狀態(tài)切換到接收數據狀態(tài)。隨后所有收到的數據都被保存到C:AMS_ADC.xls文件中。

Windows程序也允許用戶(hù)輸入自己的文字信息來(lái)覆蓋命令按鈕，點(diǎn)擊按鈕將清除文字窗口。在文本窗口輸入文字然后點(diǎn)擊按鈕就可以將文本窗口上的所有文字下載到藍牙模塊中。

點(diǎn)擊按鈕會(huì )發(fā)送命令“+++”給藍牙模塊，告訴它終止鏈接。藍牙模塊隨即斷開(kāi)鏈路，返回消息告訴用戶(hù)鏈路已經(jīng)斷開(kāi)。圖3是數據記錄儀端的電路圖。PC端只是一個(gè)通過(guò)RS232電纜與PC相連的BlueGiga WT12評估套件。

通過(guò)改寫(xiě)Windows軟件可以很容易擴展系統，使用戶(hù)查詢(xún)多個(gè)數據記錄儀。數據記錄儀中的軟件經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善后也可以更好地處理來(lái)自主機的命令，從而使PC不僅能設置好記的名字，也能讓用戶(hù)輪詢(xún)和/或復位系統。