便携式无线数据采集终端设计

安徽理工大学毕业设计I便携式无线数据采集终端的设计摘要本文主要研究凌阳单片机与蓝牙技术在数据采集与传输方面融合的应用，实现基于蓝牙协议的数据传输。首先，论文对凌阳单片机原理和应用作了简要介绍。其次，对蓝牙协议栈中的基带协议、主机控制接口协议(HCI)、逻辑链路控制协议与适配协议(L2CAP)以及它们的软硬件实现进行了重点分析与研究。再次，提出了实现 HCI 的方案，具体对 HCI 功能规范进行说明，提供了系统流程、软件接口、硬件接口和软件模块等的说明以及系统软硬件的具体实现方法。最后基于以上研究，设计出系统硬件电路图，并对电路图中各个模块进行描述，结合硬件电路给出系统运作的流程图。在数据采集技术上，采用温度传感器 DS18B20 对温度信号实时采集。在无线传输技术上，采用基于日立万胜蓝牙模块 MBM02 的蓝牙技术，在 SPCE061A 单片机与蓝牙模块硬件连接上采用 UART 口进行软硬件融合。关键词：单片机；蓝牙技术；无线数据传输；SPCE061A；HCI ；MBM02 蓝牙模块；数据采集；UART；安徽理工大学毕业设计IIPORTABLE WIRELESS DATA COLLECTION TERMINAL DESIGNABSTRACTThis paper studies Sunplus MCU and Bluetooth technology in data acquisition and transmission integration of applications to achieve data transmission based on Bluetooth protocol.First, the paper Sunplus SCM theory and application are briefly introduced.Secondly, the Bluetooth protocol stack in the baseband protocol, host control interface protocol (HCI), Logical Link Control and Adaptation Protocol protocol (L2CAP) and their realization of the key hardware and software analysis and research.Again put forward proposals to achieve HCI, HCI functional specification for specific instructions on providing a system process, software interfaces, hardware interfaces and software modules such as a description of the specific hardware and software realization.Finally, based on these studies, designed hardware circuit, and circuit description of the various modules, combined with operation of the system hardware circuit diagram are given.In data acquisition technology, using temperature sensor DS18B20 real-time acquisition of the temperature signal.In wireless transmission technology, Hitachi Maxell Bluetooth module based on Bluetooth technology MBM02 in SPCE061A MCU hardware module with Bluetooth connection using UART port for software and hardware integration.KEYWORDS：SCM；Bluetooth technology；Wireless data transmission；SPCE061A ；HCI；MBM02 Bluetooth module；data collection；UART；安徽理工大学毕业设计III目录1 绪论 .- 1 -1.1 无线数据采集概述 .- 1 -1.2 蓝牙技术概况 .- 1 -1.3 本文结构 .- 2 -2 凌阳单片机及其原理 .- 4 -2.1 凌阳单片机简介 .- 4 -2.1.1 8 位单片机 .- 4 -2.1.2 16 位单片机 .- 4 -2.2 SPCE061A 内核的硬件结构 .- 5 -2.2.1 寄存器组 .- 7 -2.2.2 数据总线和地址总线 .- 8 -2.2.3 算术逻辑运算单元 ALU.- 8 -2.2.4 堆栈 .- 8 -2.2.5 中断 .- 8 -2.3 SPCE061A 的片内存储器 .- 9 -2.4 SPCE061A 的片内外设部件 .- 10 -2.4.1 并行 I/O 及其功能扩展 .- 10 -2.4.2 时钟系统 .- 10 -2.4.3 定时/计数器 .- 11 -2.4.4 模/数转换器输入接口 .- 11 -2.4.5 SPCE061A 最小系统 .- 12 -3 蓝牙规范协议 .- 13 -3.1 基带协议 .- 14 -3.1.1 蓝牙通信过程 .- 14 -3.1.2 微微网 .- 15 -3.1.3 ACL 和 SCO 链路 .- 16 -3.1.4 蓝牙基带分组 .- 16 -3.1.5 蓝牙设备地址 .- 17 -3.2 链路管理层 .- 18 -3.3 主机控制接口层 .- 18 -3.4 逻辑链路控制与适配层 .- 19 -3.5 中间件协议层 .- 20 -4 主机控制接口功能规范 .- 21 -4.1 HCI 概述 .- 21 -4.2 HCI 流控 .- 22 -4.3 HCI 指令和事件 .- 23 -4.4 蓝牙 UART 传输层 .- 27 -5 数据采集和传输的设计 .- 29 -5.1 硬件原理框图 .- 29 -5.2 电路中模块的设计 .- 29 -5.2.1 日立万胜蓝牙模块 MBM02 .- 29 -5.2.2 温度传感器 DS18B20 模块 .- 32 -安徽理工大学毕业设计IV5.2.3 电源管理模块 .- 33 -5.2.4 凌阳单片机 SPCE061A.- 34 -5.3 软件电路设计 .- 35 -5.3.1 温度信号的采集 .- 35 -5.3.2 片内 AD 转换 .- 36 -5.3.3 UART 口数据传输 .- 37 -5.3.4 蓝牙点对点通信 .- 38 -总结 .- 40 -参考文献 .- 41 -附录 .- 42 -致谢 .- 44 -安徽理工大学毕业设计- 1 -1 绪论1.1 无线数据采集概述 数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分，信息技术的核心是信息获取、通信和计算机技术，常被称为 3C 技术（即 Collection, Communication and Computer） ，其中信息获取是基础和前提。数据采集技术是信息获取的主要手段，它广泛应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来随着微电子技术和计算机技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更高、通道更多、数据量更大的发展态势，其主要体现就是数据采集器的迅速发展。随着大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器、存储器、输入/输出等外为接口性能的不断提高，体积越来越小，价格越来越低，使数据采集器不断向智能化、集成化、小型化方向发展，现在己经出现了单片的数据采集器，例如本课题所要讲述的基于凌阳单片机的数据采集技术和无线传输技术的融合。 通信技术也是信息科学的一个重要方面，近几年来随着计算机、信息处理与存储等技术的日益精湛，通信技术也得到迅速的发展。采用通信技术来传输信息在现代社会是十分流行和重要的，它己经变成人们生活和工作的必需，社会发展的重要工具。特别是数字通信，推动了数字化社会的形成，使人们进入信息化社会成为现实。通信技术的发展首先是从任何信息的二进制数字传输开始的，最有名的是电报。由于电报的生成比较复杂，不易普及到个人、家庭和一般的办公室，社会的需要推动了电话的发明。开始时出现有线电话，直接到达家庭、办公室，以及一些公共场合，与此同时，电报不断向自动化发展，出现了各种各样的电传机。随着真迹传递的需要，开发了传真技术和传真机，目前在通信中还占有一席之地。在有线电话的基础上，各种无线电话通信、广播等蓬勃发展起来，出现了电视广播和图像通信。在这个阶段，有线通信着重发展交换和通信网，以便扩大通信范围; 无线通信着眼于点对点的通信，作为通信网中传输链路的组成部分。一般讲，无线通信的基本问题在于拓宽传输频带，增大传输距离，提高可靠性。其使用频带从长波到微波，以便适应各种传输环境的电磁波传播条件。现阶段存在的无线通信技术有以下几种:IrDA (Infrared Data Association红外无线数据传输技术)、 IEEE 802.11(一种无线以太网标准 )、HorneRF(一种无线局域网技术)和Bluetooth(蓝牙技术) 。前三种技术都早于蓝牙技术，经过多年的发展，已经日渐成熟，但蓝牙技术在低功耗和小体积方面有其他无线技术无法比拟的优点，特别是用于便携式设备。安徽理工大学毕业设计- 2 -1.2 蓝牙技术概况蓝牙(Bluetooth) 是现代无线通信领域的高新技术，用于替代数字设备间的有线电缆连接，和解决现代网络的最后 10-100M 的无线通讯。蓝牙技术具有体积小、功耗低等突出的优点，因此特别适合集成到移动电话、便携式设备和计算机外设等数字设备中，具有非常广阔的应用前景。数据采集技术虽然己经发展了很多年，但是仍然是当今科技关注的热点，无论在工矿企业还是在实验室其应用都相当广泛。将蓝牙技术与数据采集技术相结合，集成在一起组成数据采集与无线数传模块，设计出体积小、功耗低、安装维护方便的便携式产品，就是本课题所研究的主要内容，这无论在国内或者国际上都是较为先进的。用无线产品替代现有的有线产品将是科技发展的趋势，因此这方面的研究具有重大的现实意义和广阔的应用前景。Bluetooth 的系统结构可分为四层:无线与基带层(Radio系统处于备用状态下(时钟处于停止状 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道；32 位通用可编程输入/输出端口；14 个中断源可来自定时器 A/B，时基， 2 个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4Kb/s )，能容纳 210 秒安徽理工大学毕业设计- 5 -的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz 实时时钟；7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路 ICE（In-circuit emulator）接口；具有保密能力；具有 WatchDog 功能(由具体型号决定)。2.2 SPCE061A 内核的硬件结构SPCE061A 是继 nSP系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一款 16 位结构的微控制器。与 SPCE500A 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 里只内嵌 32KB 的闪存（FLASH） 。较高的处理速度使 nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A 相比，以 nSP为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择，也可以作控制核心使用。围绕 SPCE 所形成的 16 位 nSP系列单片机采用的是模块是集成结构，共有 84个引脚，封装形式位 PLCC84，它的管脚排列如图 2-1 所示。在 84 个引脚中有 15 个空脚，其余管脚功能说明如表 2.1 所示。SPCE061A 的结构如图 2-2 所示。图 2-1 SPCE061A 单片机 PLCC84 引脚7 47 37 27 17 06 96 86 76 66 56 46 36 26 16 05 95 85 75 65 55 41 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 211109 8 7 6 5 4 3 2 184838281807978777675333435363738394041424344454647484950515253MICPVCMVRTPADVDDVMICVSSIOA0IOA1IOA2IOA3IOA4IOA5IOA6IOA7IOA8IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB8IOB7IOB9IOB10NCNCNCNCNCNCVSSVSSVDDHVDDHVSSVCPVDDXRESBVDDHNCN CN CN CN CN CP V P PN CN CN CP F U S EM I C NM I C O U TO P IA G CV S SV R E F 2D A C 2D A C 1P V I NV S SX I C E C L KX I C E S D AX I C EV D DX T E S TO S C 3 2 IO S C 3 2 OS P C E 0 6 1 AI O A 9I O A 1 0I O A 1 1I O A 1 2I O A 1 3I O A 1 4I O A 1 5I O B 1 1I O B 1 2I O B 1 3I O B 1 4I O B 1 5V S SX R O M TX S L E E P安徽理工大学毕业设计- 6 -表 2-1 管脚功能