作者/覃嘉恒，南通開放大學(xué)

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)

作者/覃嘉恒，南通開放大學(xué)

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)。該系統(tǒng)體積小，功耗低。利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸，確保了鏈路的穩(wěn)定，減小傳輸誤差與系統(tǒng)干擾，系統(tǒng)精度高，適合用于存在大量噪聲干擾的工業(yè)測(cè)試環(huán)境。

ARM；藍(lán)牙；信號(hào)采集

引 言

無(wú)線測(cè)試技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(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。

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。

1.芯片選擇

■1.1 藍(lán)牙模塊的選擇

采集模塊采用BlueCore02-External藍(lán)牙芯片，它與電壓調(diào)整電路、閃存等外圍器件一起構(gòu)成藍(lán)牙模塊，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)可通過各種接口(SPI，UART，USB等)實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的通信。

■1.2 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HCI(Host ControlRF Inteace)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.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(AccessControl List)數(shù)據(jù)通信。BC02芯片通過MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

■2.1 信號(hào)采集模塊

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

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 TX接LPC2146的UART0接收端RXD0，而藍(lán)牙模塊的UART接口的接收端UART RX接LPC2146的UART0發(fā)送端TXD0。

■2.2 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。

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-RS232的接口卡，其波特率可以達(dá)到1 Mb/s。

■2.3 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及看門狗電路。當(dāng)電源的波動(dòng)超過安全閾值時(shí)(3.6～2.9V)，MAX823將產(chǎn)生一個(gè)Reset信號(hào)，對(duì)微處理器進(jìn)行復(fù)位。

3.結(jié)語(yǔ)

本文基于藍(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。

＊ [1]徐千洋.Linux C函數(shù)庫(kù)參考手冊(cè).[M]中國(guó)青年出版社.2002

＊ [2]馬忠梅，馬廣云，徐英慧，田譯.ARM嵌入式處理結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社.2002

＊ [3]鄒思鐵.嵌入式Linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京清華大學(xué)出版社.2002

＊ [4]杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].清華大學(xué)出版社.2003