一种嵌入式的蓝牙数据采集系统

孙红军

摘要:一种基于嵌入式的蓝牙数据采集系统,将蓝牙无线通信技术和数据采集技术相结合,针对工业现场数据采集过程中,繁杂的线缆、事故隐患的发生,存在着线缆无法完成任务的情况下,构建了以ARM处理器LPC2142和蓝牙芯片Rok101008的无线数据采集系统。该系统与其它数据采集器最大的差别在于实现了A/D转换后数据的无线传输,电路结构简单,集成化、抗干扰,移动性更强,具有较强的实用性,能广泛应用在环境复杂的工业现场。

关键词:嵌入式系统蓝牙技术数据采集

0 引言

蓝牙技术是近些年来发展迅速的短距离无线通信技术,数据采集是以传感器技术、信号检测与处理、计算机科学与技术为基础而形成的一门综合应用技术。现代工业控制和数据采集系统已从传统电路、微机模式走进嵌入式的系统模式,嵌入式系统在工业数据控制和采集传输系统中有着不可替代的作用。针对目前工业现场数据采集过程中,繁杂的线缆给工作带来不便,甚至是事故发生的隐患,同时存在着线缆无法完成的任务。利用蓝牙技术和嵌入式数据采集技术研构建的无线数据采集模块,可以减少系统间的电缆连接,具有携带方便、可靠性高、易扩展、功能强、应用灵活等优点。

1 数据采集系统

1.1 数据采集模块方案 数据采集模块的总体方案是通过ARM微处理器上的蓝牙芯片发送采样频率、采样信息给数据采集模块,数据采集模块接收指令信息,采集数据并以无线方式传输给PC机,PC机接收数据后显示,并进行各种处理。蓝牙无线数据采集模块是无线数据采集的重要组成部分,该模块由数据采集单元、无线传输单元、终端接受单元、电源管理单元四大部分构成。数据采集模块由电池电源供电,安装在现场,可脱离系统按指令自动完成数据的采集。输入信号是传感器放大器送来的模拟信号,此信号经信号调理电路后送入数据采集芯片TLC2543,然后再传送到ARM微处理器LPC2142,最后ARM处理器通过串口和蓝牙芯片Rok101008连接,从而使数字数据通过蓝牙无线传输到PC处理器。

1.2 数据采集硬件设计与实现 数据采集硬件主要涉及到的就是ARM微处理器和A/D转换器的接口以及蓝牙和ARM微处理器的接口,其中主要元器件的选择有两个:一是嵌入式的处理器芯片,另一个是无线传输模块。下面是数据采集模块的硬件原理框图。(如图1)

LPC2142是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI-SCPU的微控制器,并带有32kB和512kB 嵌入式Flash存储器。由于内置了宽范围的串行通信接口(从USB2.0全速器件、多个UART、SPI、SSP到I2C总线)和8KB-40kB的片内SRAM,它们也适合通信网关、协议转换器、软modem、语音识别、低端成像,为这些应用提供大规模的缓冲区和处理功能。多个32位定时器、1个或2个10位ADC、10位DAC、45个高速GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚,使它们特别适用于工业控制系统,而本模块解决工业控制中一些相关数据采集及处理问题,故选择该款芯片。

蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准。它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字系统,采用无线方式连接起来。为了优化系统设计,我们选用的蓝牙模块是Ericsson公司的ROK101008蓝牙模块。ROK101008模块是一种实现蓝牙功能的短距离通信模块。它包含三个主要的部分:基带控制器、Flash和射频部分,工作在全球通用2.4GHz～2.480GHz的ISM频段的射频模块。系统可以提供无线标准UART接口,支持多种波特率(如9.6 kbps、19.2 kbps、38.4 kbps、57.6kbps、115.2 1kbps、230.4 kbps、460.8 kbps)。本系统经过测试发现,当速率为57.6 kbps时,蓝牙芯片能够正常工作。

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,该模块同时支持数据和语音传输。ROK101008的设计符合蓝牙规范1.0B,通信距离大约为10m左右,支持UART、PCM和I2C三种接口形式,工作电压Vcc的典型值为3.3V,采用内部晶振和时钟,外形尺寸为33×17×3mm。本系统中蓝牙模块接口电路如图2所示。

2 数据采集软件设计与实现

由于μC/OS-Ⅱ采用C语言和汇编语言,其中绝大部分用C语言,结构非常简洁,同时μC/OS-Ⅱ是一个基于抢占式的实时多任务内核,可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性,除此以外,μC/OS-Ⅱ的鲜明特点就是源码公开,便于移植和维护,其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。

μC/OS-Ⅱ具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点,最小内核可编译至2KB。μC/OS-Ⅱ很适合小型控制系统,非常适合嵌入式技术者使用,故我们采用该系统。

蓝牙无线数据采集模块的软件主要包括两大部分:数据采集和蓝牙通信。模/数转换器TLC2453与ARM微处理器LPC2142接口子程序流程图,该程序主要功能是ARM微处理器LPC2142控制数据采集器,对模拟数据进行采集处理。

软件平台μC/OS-Ⅱ主要采用标准的ANSI C语言编写,与蓝牙硬件有关部分使用汇编语言编写,其中蓝牙通信流程有以下几个功能步骤:蓝牙模块自身初始化端口、初始化蓝牙硬件、HCI流量控制设置、查询、建立连接、进行ACL(Asynchronous ConnectionLess)数据传输和断开连接等。其软件流程图如图3所示。使用嵌入式操作系统时,应用软件只与上层代码有关,与处理器无关,在移植时只需与硬件相关的底层函数进行修改。因此系统的可移植性和稳定性得到良好的保障。

3 小结

嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成为21世纪的应用热点,它的发展为传统的测量和控制系统注入了新的活力。

本系统通过对硬件和软件的应用调试,成功的实现了蓝牙数据采集器的设计。该数据采集器能够精确可以实现8路不同模式(连续模式、点检模式等)数据采集并通过蓝牙把数据无线传送给上位机,其采集速率最高可达150kHz,数据传输速率最高可达460kbps。该系统与其它数据采集器最大的差别在于实现了A/D转换后数据的无线传输,并且使数据采集器的电路结构更为简单、集成化、抗干扰更强,且比传统的数据采集器移动性强,具有较强的实用性,能广泛应用在环境复杂的工业现场,可以替代传统的有线电缆,有着广泛地应用前景。

参考文献:

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