摘 要：以旋轉(zhuǎn)件的測(cè)量為背景，設(shè)計(jì)研制了一套基于ARM及藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)以基于CSR BC02的藍(lán)牙模塊及基于ARM7的LPC2146微控制器為核心，重點(diǎn)研究了采用HCI UART的藍(lán)牙無(wú)線通訊方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于HCI的藍(lán)牙無(wú)線通訊軟硬件工作正常，具備一定的抗干擾能力，滿足實(shí)際測(cè)試場(chǎng)合的需要。

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關(guān)鍵詞：藍(lán)牙;ARM;無(wú)線通訊;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-024-02

Design and Realization of Wireless Signal Acquisition System

Based on ARM and Bluetooth Technique

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ZHANG Hong，XU Xing

(Instrumentation Science Optoelectronics Engineering Department，Beihang University，Beijing，100083，China)

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Abstract：The research is based on the rotating mechanism measurement，and develops a wireless testing system based on bluetooth and ARM.The system is based on CSR BC02 Bluetooth module and LPC2146 (ARM7).The HCI UART based communication is mainly discussed.The result proves that the installation of the PCB is reliable，the bluetooth communication works properly and has good noise immunity.

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Keywords：bluetooth;ARM;wireless communication;digital acquisition

1 引 言

無(wú)線測(cè)試技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在連線復(fù)雜并需要反復(fù)拆裝被測(cè)設(shè)備和測(cè)試設(shè)備之間連線的場(chǎng)合，使用無(wú)線可以降低工作的復(fù)雜程度，節(jié)約大量的時(shí)間，提高測(cè)試環(huán)節(jié)的工作效率，尤其在有時(shí)間限制時(shí)其優(yōu)越性更加明顯。此外在不適宜連線的場(chǎng)合，如港口、碼頭、江河湖壩、野外勘測(cè)、石油勘探中油井深處環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，使用無(wú)線測(cè)量具有有線測(cè)量無(wú)法比擬的優(yōu)越性 [1]。

對(duì)于近距離的無(wú)線傳輸，藍(lán)牙由于采用快速跳頻技術(shù)，確保了鏈路的穩(wěn)定，同時(shí)使干擾可能造成的影響變得很小，適合用于存在大量噪聲干擾的工業(yè)測(cè)試環(huán)境中，由于無(wú)線傳輸?shù)氖菙?shù)字量，因此在通常情況下沒(méi)有傳輸誤差，不會(huì)影響到系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并且可以單芯片實(shí)現(xiàn)，體積功耗都能達(dá)到很小的水平。

本文針對(duì)無(wú)線信號(hào)測(cè)試，提出一種基于ARM和藍(lán)牙的無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 芯片選擇

2.1 藍(lán)牙模塊的選擇

采集模塊使用的藍(lán)牙芯片是已經(jīng)商品化的藍(lán)牙模塊，其核心是主流的CSR 的BlueCore02-External藍(lán)牙芯片，他與外圍器件一起構(gòu)成藍(lán)牙模塊，如圖1所示\\[2\\]。電壓調(diào)整電路提供藍(lán)牙模塊所需的33 V和18 V電壓，閃存用于存儲(chǔ)藍(lán)牙固件和配置參數(shù)。藍(lán)牙主機(jī)可通過(guò)各種接口(SPI，UART，USB等)實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的通信\\[1\\]。

圖1 藍(lán)牙模塊的結(jié)構(gòu)組成

2.2 微處理器的選擇

微處理器主要負(fù)責(zé)對(duì)采樣的控制，對(duì)信號(hào)調(diào)理芯片的進(jìn)行編程與控制，與藍(lán)牙模塊的通信。由于采用了寄居式的藍(lán)牙模型，所以微處理器通過(guò)HCI (Host Control Interface)接口與藍(lán)牙模塊通信，包括將采集的數(shù)據(jù)按照藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式打包發(fā)送給藍(lán)牙模塊，解讀從上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令，控制系統(tǒng)的采集動(dòng)作以及藍(lán)牙模塊的工作方式。

基于ARM核心的微處理器具有運(yùn)算速度快，體積小，功耗低，外圍接口資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，使用基于ARM7TDMI-S核心的Philips LPC2146微控制器\\[2\\]。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件分為采集模塊與接收模塊兩部分：

(1) 采集模塊：為8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，8路傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大與調(diào)理后，均變?yōu)?~3 V的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號(hào)，分別連接到LPC2146的AD1.0~AD1.7管腳。LPC2146片內(nèi)的ADC是一個(gè)分辨率為10位，轉(zhuǎn)換速率為400 ks/s的逐次逼近型ADC，支持8路復(fù)用的輸入信號(hào)。LPC2146對(duì)8路信號(hào)進(jìn)行輪流采樣，數(shù)字化。由于LPC2146內(nèi)部的ADC不提供轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓基準(zhǔn)，故使用了LT1461A3這一+3 V的精密電壓基準(zhǔn)。

(2) 接收模塊：接收模塊同樣以CSR BC02藍(lán)牙模塊為核心，與采集模塊進(jìn)行藍(lán)牙ACL (Access Control List)

數(shù)據(jù)通信。BC02芯片通過(guò)MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

3.1 信號(hào)采集模塊

CSR BlueCore02藍(lán)牙模塊具有HCI UART與HCI USB傳輸層。本課題采用了編程較為簡(jiǎn)單HCI UART接口與微控制器LPC2146連接。

藍(lán)牙模塊與ARM的硬件連接如圖2所示。由于藍(lán)牙模塊和ARM都采用+33 V電源供電，故其接口間不存在電平差異，不需要電平轉(zhuǎn)換。藍(lán)牙模塊UART接口的發(fā)送端UART[CD#*2]TX接LPC2146的UART0接收端RXD0，而藍(lán)牙模塊的UART接口的接收端UART[CD#*2]RX接LPC2146的UART0發(fā)送端TXD0。

圖2 藍(lán)牙模塊與ARM的硬件連接

藍(lán)牙模塊的復(fù)位電路有上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位和LPC2146控制復(fù)位三種復(fù)位功能。在RST腳上的高電平持續(xù)時(shí)間大于5 ms時(shí)，藍(lán)牙模塊將被復(fù)位。

圖2中C1和R3組成上電復(fù)位電路；S1為長(zhǎng)開(kāi)按鈕，當(dāng)S1按下時(shí)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位；LPC2146的P0.16腳(BTRST)也可以通過(guò)D1二極管復(fù)位藍(lán)牙模塊。

3.2 藍(lán)牙接收模塊

接收模塊與監(jiān)控PC機(jī)連接，用來(lái)接收從采集模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的藍(lán)牙ACL數(shù)據(jù)包，并將之傳送到PC。藍(lán)牙模塊與PC機(jī)的通信是基于HCI RS 232接口，使用了一片電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS 232電平，實(shí)現(xiàn)了利用PC機(jī)串口與藍(lán)牙模塊通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的功能，如圖3所示\\[2\\]。

圖3 藍(lán)牙模塊與PC的接口示意圖

PC機(jī)與藍(lán)牙模塊的接口使用了硬件流控，如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙模塊與PC接口圖

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值得注意的是，PC機(jī)主板內(nèi)置的RS 232接口能達(dá)到的波特率最大僅為1152 kb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)牙模塊ACL連接的最大通信速率721 kb/s。為了避免RS 232接口成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，使用了一塊PCI-RS 232的接口卡，其波特率可以達(dá)到1 Mb/s。

另外，RS 232接口的波特率也受其傳輸距離的制約。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，最終接收端藍(lán)牙HCI UART傳輸層能在4608 kb/s的波特率下正常的收發(fā)數(shù)據(jù)。

3.3 硬件抗干擾措施

在此系統(tǒng)中，諸如ARM，信號(hào)調(diào)理芯片，藍(lán)牙模塊都是易受干擾的元器件，因此抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。在硬件的設(shè)計(jì)時(shí)，主要采取了如下措施來(lái)加強(qiáng)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾能力：

(1) 對(duì)電路板采用了電池供電。采用42 V的鋰電池供電，可以提供相對(duì)穩(wěn)定的電壓和純凈的電流。相對(duì)于其他采用金屬滑環(huán)或者旋轉(zhuǎn)變壓器供電的方案，電池供電消除了這兩種方式帶來(lái)的交流噪聲及電源波動(dòng)。

(2) 對(duì)ARM處理器加入了電源監(jiān)控芯片MAX823及看[CM(21*2]門狗電路。當(dāng)電源的波動(dòng)超過(guò)安全閾值時(shí)(36~29 V)，MAX823將產(chǎn)生一個(gè)Reset信號(hào)，對(duì)微處理器進(jìn)行復(fù)位。

4 結(jié) 語(yǔ)

本課題基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)正是近距離無(wú)線通信技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。該無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)采樣通道數(shù)多，體積小，功耗低，具有多種節(jié)能模式，安裝簡(jiǎn)便，兼具有信號(hào)調(diào)理和信號(hào)遙傳的功能，不但可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸)的參數(shù)采集，也可以應(yīng)用在其他高速或低速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用范圍和良好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］胡欽.旋轉(zhuǎn)件無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)研制\\[D\\].北京:北京航空航天大學(xué)，2007.

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［2］鄭新華.藍(lán)牙無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)研究\\[D\\].北京:北京航空航天大學(xué)，2005.

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［3］李義軍.BlueCore2型模塊及其HCI傳輸驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)\\[J\\].國(guó)外電子元器件，2006(3):60-62.

作者簡(jiǎn)介 張 虹 女，1983年出生，碩士。主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。