（测试计量技术及仪器专业论文）蓝牙无线传输技术在测控系统中的应用.pdf

四川大学硕士学位论文 蓝牙无线传输技术在测控系统中的应用 测试计量技术及仪器 研究生杨家鉴指导教师黄劫 蓝牙( b i u e t o o l h ) 是一种低功率短距离的无线连接技术规范，蓝牙技术的概 念是爱立信公司于1 9 9 5 年提出的，这一概念很快便被业界普遍接受。1 9 9 8 年 5 月，由爱立信，诺基亚，东芝。i b m ，i n t e l5 家公司成立的蓝牙特别兴趣组 ( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 得到了全球业界的鼎立支持和大力协助， 许多通讯和电子厂商都纷纷加入了这个组织并参与其中的工作，使蓝牙技术成 为发展最迅速的无线通讯规范，并对各领域有广泛的适应性，蓝牙技术将成为 未来短距离通信的主流技术。 本文针对蓝牙协议在测控系统中应用的要求以及球面孔位非接触测量系 统对球体转位的定位精度和转位速度的技术要求，开展了基于蓝牙无线连接技 术的步进电机闭环运动控制系统的研究，主要包括蓝牙协议系统硬件方案设 计、运动控制系统总体方案论证、嵌入式运动控制器的设计、步进电机运动控 制算法研究、转位位置数据采集方案的确定以及对步进电机位置反馈控制算法 优化等内容，主要可概括为以下几点： 1 将蓝牙技术应用于此测控系统中，采取蓝牙单芯片方案控嚣4 两蓝牙模 块，实现设备间的无线连接，并保证数据传输快速，有效。 2 。在系统总体控制方案上，为满足转位机构定位耩度的要求，确定采用 闭环控制方案。在步进电机的计算机控制方式上，针对在w i n d o w s 操作系统下用p c 机直接控制步进电机实时陛不强的问题，确定采用 p c 机与单片机主从式协同控制方式。 3 阐述了基于p c 机i s a 总线运动控制器的设计方法，对嵌入式运动控 制器与p c 机i s a 总线的接口电路、控制引脚分配进行了较为全面的 四川大学硕士学位论文 分析，并根据本系统运动控制特点制定了相应的通讯协议。 4 利用单片机最小系统实现了对3 台步进电机的控制，根据单片机编程 特点，对步进电机的调速方法、加减速控制以及点位控制进行了较为 深入的分析并通过程序予以实现。 5 在对定位位置数据采集方面，较为深入地分析了轴角编码器与单片机 的串口通信原理，针对单向无应答通讯模式编制了具有较强纠错能力 的通讯软件，保证了数据传输稳定可靠。 基于本文所述的步进电机闭环控制系统，在充分利用成熟技术的基础上， 解决了闭环控制系统各个环节的技术问题，并对自行设计的运动控制系统和模 块化位置反馈部件进行了集成和整合，实现了各部件时序、功能的匹配。经实 践证明，蓝牙技术运用于控制系统中不但可以实现，而且很有效地提高系统的 测量控制效果，本系统就达到了“机器视觉球面孔位测量系统研究”项目对转 位机构运动控制精度和速度的技术要求，满足项目测量需要。 关键词：测控系统、反馈控制、主从式控制、蓝牙、串口通信 i i 硼大学硕士学位论文 b l u e t o o t ht e c h n o l o g y a p p f i e di nm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t p o s t g r a d u a t e ：y a n gj i a j i a ns u p e r v i s o r ：h t l a n g j i e t h eb l u e t o o t hi st h es p e c i f i c a t i o no fl o wp o w e ra n ds h o r td i s t a n c ew i r e l e s s c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y i tw a sa c c e p t e db yt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o ng e n e r a l l y s o o na f t e rt h ec o n c e p t i o nw a sp u tf o r w a r db ye r i c s s o ni n1 9 9 5 t h eb l u e t o o t h s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，i n c l u d i n ge r i c s s o n ，n o k i a , t o s h i b a ，i b ma n di n t e l , r e c e i v e d s om u c hs u p p o r ta n da b i d a n c ei nt h e g l o b a l f i e l do fc o m m u n i c a t i o ni n m a y , 1 9 9 8 s om a n yc o m m u n i c a t i o n a la n de l e c t r o n i cm a n u f a c t u r e r sj o i n e dt h i s o r g a n i z a t i o ni ns u c c e s s i o na n dp a r t i c i p a t e di ni t sj o b b yr e a s o no ft h i s ，b l u e t o o t h b e c a m et h es p e e d i e s td e v e l o p i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a ls p e c i f i c a t i o n t h e b l u e t o o t hh a st h ec o m p r e h e n s i v ea d a p t a b i l i t yt ov a r i o u sf i e l d s ，a n di tw i l lb et h e p r i m a r yt e c h n o l o g yf o rt h es h o r td i s t a n c ec o m m u n i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h i st h e s i sw a s ( 1 e a da g a i n s tt h ed e m a n do nt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yw h i c h w a sa p p l i e di nm e a s u l e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dt h et e c h n i c a ld e m a n do n o r i e n t a t i o n p r e c i s i o na n dr e v o l v i n gs p e e d , w h e ns p h e r er e v o l v e d i nt h e m e a s u r e m e n ts y s t e mo fp o s i t i o n sf o rh o l es e r i e s ，s t u d i e do ns t e p p e rm o t o rc l o s e d l o o pm o t i v ec o n t r o ls y s t e m , m o s t l yi n v o l v e dt h es c h e m ed e s i g no fb l u e t o o t h s y s t e m ，d e m o n s t r a t i o no ft h et o t a lp r o j e c to ft h em o v e m e n tc o n t r o l l i n gs y s t e m , d e s i g no ft h ee m b e d d e dm o v e m e n tc o n t r o l l e r , s t u d i e do nt h em o v e m e n tc o n t r o l a l g o r i t h mo fs t e p p e rm o t o r , e s t a b l i s h m e n to ft h ei m a g ec a p t u r i n gp r o j e c to f l o c o m o t i o nd i s p l a c e m e n ta n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo ft h ed i s p l a c e m e n tf e e d b a c k c o n t r o lo f s t e p p e rm o t o re r e ，i tc o u l db er e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： i i i t r q 川夫学颂 学位论文 f i r s t l y ，a p p l i e dt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi n t h i sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m , u s e dt h eb l u e t o o t hs i n g l ec h i pp l a nt oc o n t r o lt w ob l u e t o o t hm o d u l e s ，i n o r d e rt or e a l i z ew i r e l e s sc o n n e c t i o nb e g v e e nt h ee q u i p m e n t s ，m a k es u r et h ed a t a t r a n s m i s s i o ni sf a s ta n de f f e c t i v e s e c o n d l y ，i nt h es y s t e m i ct o t a lc o n t r o lp r o j e c t ，i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do n o r i e n t a t i o n p r e c i s i o no ft h e l o c o m o t i o nm a c h i n e ，m a k es u r et h ec l o s e dl o o p c o n t r o l l i n gp r o j e c ti st h eb e s t b a s e do nc o m p u t e rc o n t r o lm o d eo fs t e p p e rm o t o r , a i m e da tt h ed e f i c i e n c yo f r e a lt i m ew h e ns t e p p e rm o t o rw a sc o n t r o l l e dd i r e c t l yb yp cc o m p u t e ru n d e rt h e w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，a d o p t e dt h em a s t e r - s l a v ec o n t r o lm o d e ，w h i c hm a d eu p o f ap c c o m p u t e ra n das i n g l ec h i p t h i r d l y , e x p o u n d e dt h ed e s i g no fm o t i v ec o n t r o l l e rb a s e do ni s ab u si np c c o m p u t e r , g e n e r a l l ya n a l y z e dt h ei n t e r f a c e e l e c t r o c i r c u i tb e t w e e ne m b e d d e d m o v e m e n tc o n t r o l l e ra n di s ab u si np cc o m p u t e r ，d i s t r i b u t i o no fc o n t r o l l i n gp i n s ， a n d a c c o r d i n gt o t h em o v e m e n tc o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h i s s y s t e m ， e s t a b l i s h e dr e l e v a n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 f o u r t h l y ，r e a l i z e dt h ec o n t r o lo ft h r e es t e p p e rm o t o r sb yt h em i n i m a ls i n g l e c h i ps y s t e m , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ec h i pp r o g r a m m e ，h o m e a n a l y z e dt i m i n go fs t e p p e rm o t o r , a c c e l e r a t i n go rd e c e l e r a t i n gc o n t r o la n ds p o t l o c a t i o nc o n t r o l ，c a r r i e di to u tb yp r o g r a m m e f i n a l l y ，a to r i e n t a t i o nd i s p l a c e m e n td a t ac a p t u r i n g ，h o m ea n a l y z e dt h et h e o r y a b o u ta n g l ee n c o d e r sa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o no fp cc o m p u t e r , p r o g r a m m e d c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eo f s t r o n g e r c o r r e c t i o nf o r s i n g l en o n - r e s p o n s e c o m m u n i c a t i o nm o d e ，t h e n , t h es e c u r i t yo f d a t at r a n s m i s s i o nc o u l db ei n s u r e d b a s e do nt h ec l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e mo fs t e p p e rm o t o r ，a n df u l lu s eo f m a t u r et e c h n o l o g y ，t h i st h e s i sr e s o l v e dv a r i o u so ft e c h n i c a lp r o b l e m s ，w h i c hp l a y 髂k e yp o i n t si nc l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gs y s t e m , a n di n t e g r a t e dt h ep a r t so f m o v e m e n tc o n t r o l l i n g s y s t e m a n d d i s p l a c e m e n t f e e d b a c km o d u l e b o t ha r e s e l f - d e s i g n e d ，m a t c h e ds c h e d u l i n ga n df u n c t i o no f e a c hp a r t s i t sp r a c t i c e dt l l ni ti sn o to n l yp o s s i b l et oa p p l yt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nt o i v v 四川大学硕十学位论文 第一章绪论 步入数字化信息通讯时代，数字化设备的有线连接给人们随时随地的信息 连接和通讯带来了很多不便，无线通信连接技术将人们从有线连接的束缚中解 放出来，已经成为发展的趋判”。一些公司和标准化组织已经开始探寻各种无 线连接技术，并开发出一系列标准，其中有些标准得到了很好的应用。在这些 无线技术中，蓝牙无线通信技术发展最快，具有广阔的应用前景。目前蓝牙技 术大多用于网络连接和语音设备，在测控系统中的应用还很不常见，针对蓝牙 技术功耗低，抗信号衰落，减少同频干扰，保证传输的可靠性等的特点，因此 认为将蓝牙技术应用于测控系统实现无线控制弓测量也成为一种趋势。 1 1 蓝牙与其他短距无线通信技术 除蓝牙技术之外，其他较为成功的短距无线通信技术还有红外，正e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术。红外，i e e e8 0 2 1 1 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术的诞生都早丁二蓝牙，并且经 过多年的发展，已经曰渐成熟，各项技术指标也不断得到提升。i e e e8 0 2 1 1 、 h o m e r f 和蓝牙工作在同一频段，之间存在着一定的竞争和相互影响【1 1 。 1 1 1 红外通信技术 红外( i n f r a r e dr e d ) 通信技术是通过波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数据。 由于红外光线直线传输，易受遮挡，只支持点对点视距连接，收发装置的光路 夹角一般在3 0 度内，常用通讯距离为1 3 米。 红外技术的实现和操作都相对简单，成本低廉，可应用于各种场合。另外， 红外通信由于短距离和小角度等原因，具有很好的安全性，并且几乎无干扰， 而且红外通信的传输速率较高，最高可达1 6 m p s 。但是红外技术由于传输媒质 本身的限制，其应用前景不如蓝牙技术。 阴i f i 大学硕十学位论文 1 1 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网技术 i e e e8 0 2 i i 是电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 8 0 2 t 作组制定的无线局域网标准，主要用于实现小范围内的 移动组网和无线接入。i e e e 在8 0 2 1 1 的基础上相继推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 两 个标准。8 0 2 1 1 a 工作在5 g h z 的免授权国家信息基础设施( u n i l ) 频带，8 0 2 1 l b 工作在与蓝牙一样的2 4 g h zt 业，科学和医学( i s m ) 频带。8 0 2 1 i b 只支持 数据传输，传输速率最高可达1 1 m p s ，并且可根据环境中的射频状况，在l i m p s 、 5 5 m p s 、2 m p s 和i m p s 之间切换，传输距离高达3 0 0 m 。 8 0 2 1 l b 的传输速率比较快，因而在局域网的无线接入应用方面具有一定 的优势。但是它不能支持语音传输，在技术在体积、功耗和成本上无法与蓝牙 相比，因而在对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上的应用还很少i l j 。 1 1 3h o m e r f 家用无线局域网技术 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议( s h a r e dw i r e l e s s a c c e s sp r o t o c o l ， s w a p ) 之上。该协议主要针对家庭无线局域网，同时支持数据和语音通信， 使用分时多址技术。h o m e r f 同样工作在2 4 g h z 频段，采用跳频技术，每秒 跳频5 0 次，最大功率为1 0 0 m w ，有效范围约为5 0 m 。h o m e r f 的传输速率为 1 m p s 或2 m p s ，最多可支持6 个全双工的语音通道。 h o m e r f 技术侧重于p c 及其外设所组成的无线局域网，主要针对低成本 的家庭语音与数据的无线连接，不仅可以组成家庭局域网，还可以将家庭中的 各种电器设备通过相应的网络接入点与公用交换电话网( p s t n ) 以及互联网相 连。h o m e r f 技术其成本虽然比8 0 2 1 l b 相对要低，但还是无法与蓝牙相比。 h o m e r f 与i e e e8 0 2 1 1 一样面向特定的应用领域，与蓝牙技术并不冲突【“。 1 2 蓝牙无线传输技术的特点 蓝牙技术是一种无线数据与语言通讯的开放性全球规范，是一种用微波技 术去取代传统网络中错综复杂的连接电缆来实现固定设备及可移动设备的互 联而建立的一个特殊的短程无线通讯标准，它具有许多优越的技术性能【2 1 。 2 四| 大学硕f 学位论文 1 2 1 射频特性 蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2 4 g h z 的工 业、科学、医学( i s m ) 频段，这样用户不必经过申请便可以在2 4 0 0 2 5 0 0 m h z 范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用2 3 个或7 9 个，频道间隔 均为1 m h z ，采用时分双工方式。调制方式为b t = 0 5 的高斯移频键控( g f s k ) ， 调制指数为o 2 8 o 3 5 。蓝牙的无线发射机采用f m 调制方式，从而能降低 设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) ， l m w ( 0 d b m ) ，在4 2 0 d b m 范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间 的有效通讯距离大约为1 0 1 0 0 m 。 1 2 2t d m a 结构 蓝牙的数据传输率为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0 6 2 5 l x s 。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技 术支持一个异步数据通道，3 个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据 和同步语音通道。每一个语音通道支持6 4 k b s 的同步语音，异步通道支持最 大速率为7 2 1 k b s ，反向应答速度为5 7 6 k b s 的非对称连接，或者是速率为 4 3 2 6 k b s 的对称连接。 1 2 3 使用跳频技术 跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为3 2 0 0 跳秒。 使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、 性能优越【3 】。 1 2 4 蓝牙设备的组网 蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效 通讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工作方式。基于分时多 址( t d m a ) 原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络( p i e o n e t ) 3 四川大学硕士学位论文 和分散网络( s c a t t e m e t ) 中，既可作主设备( m a s t e r ) ，又可作从设a $ ( s l a v e r ) ， 还可同时既是主设备( m a s t e r ) ，又是从备( s l a v e r ) 。因此在蓝牙系统中没有 从站的概念，另外所有的设备都是可移动的，组网十分方便【4 1 。 1 3 蓝牙系统组成 蓝牙系统由无线单元、链路控制单元、链路管理： ( 1 ) 无线单元 蓝牙是以无线l a n 的i e e e 8 0 2 1 1 标准技术为基础的，使用2 4 5 g h zi s m 全球通自由波段。蓝牙天线属于微带天线，空中接口是建立在天线电平为o d b m 基础上的，遵从f c c ( 美国联邦通信委员会) 有关o d b m 电平的i s m 频段的标 准。当采用扩频技术时，其发射功率可增加到l o o m w 。频谱扩展功能是通过起 始频率为2 4 0 2 g h z 、终止频率为2 4 8 0 g h z 、间隔为1 m h z 的7 9 个跳频频点来 实现的。其最大的跳频速率为1 6 6 0 跳s 。系统设计通信距离为l o e m l o m ， 如增大发射功率，其距离可长达l o o m 。 ( 2 ) 链路控制单元 链路控制单元( 即基带) 描述了硬件基带链路控制器的数字信号处理 规范。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。 a 建立物理链路 微微网内的蓝牙设备之间的连接被建立之前，所有的蓝牙设备都处于待命 ( s t a n d b y ) 状态。此时，未连接的蓝牙设备每隔1 2 8 s 就周期性地“监听”信 息。每当一个蓝牙设备被激活，它就将监听划给该单元的3 2 个跳频频点。跳 频频点的数目因地理区域的不同而异( 3 2 这个数字只适用于使用2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 波段的国家) 。作为主蓝牙设备首先初始化连接程序，如果地址已 知，则通过寻呼( p a g e ) 消息建立连接；如果地址未知，则通过一个后接寻呼消 息的查询( i n q u i r y ) 消息建立连接。在最初的寻呼状态，主单元将在分配给被 寻呼单元的1 6 个跳频频点上发送一串1 6 个相同的寻呼消息。如果没有应答， 主单元则按照激活次序在剩余1 6 个频点上继续寻呼。从单元收到从主单元发 4 四i i 大学颐十学位论文 来的消息的最大延迟时间为激活周期的2 倍( 2 5 6 s ) ，平均延迟时间是激活周 期的一半( 0 6 s ) 。查询消息主要用来寻找蓝牙设备。查询消息和寻呼消息很相 像，但是查询消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。 如果微微网中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙 还支持节能工作模式。主设备可以把从设备置为保持( h o l d ) 模式，在保持模 式下，只有一个内部计数器在工作。从设备也可以主动要求被置为保持模式。 一旦处于保持模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。保持模式一般 被用于连接好几个微微网的情况下或者耗能低的设备。另外。蓝牙还支持呼吸 ( s n i f f ) 模式和暂停( p a r k ) 模式。在呼吸模式下，从设备降低了从微微网 “收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求作适当调整。在暂停模式 下，设备依然与微微网同步但没有数据传送。工作在暂停模式下的设备放弃了 地址，偶尔收听主设备的消息并恢复同步、检查广播消息。这几种工作模式按 照节能效率以升序排队依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。 蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接( s c o ) 类型和异步无连接 ( a c l ) 类型。前者主要用于同步话音传送，后者主要用于分组数据传送。 同一个微微网中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段 内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持1 6 种不同类型的数 据包，其中包括4 个控制分组，这一点对s c o 和a c l 来说都是相同的。两种连 接类型都使用时分双工( t d d ) 实现全双工传输。 s c o 连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，主设备和 从设备可以不被选中就发送s c o 数据包。s c o 数据包既可以传送话音，也可以 传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。 a c l 链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。 主设备负责控制链路带宽，并决定微微网中的每个从设备可以占用多少带宽和 连接的对称性。从设备只有被选中时才能传送数据。a c l 链路也支持接收主设 备发给微微网中所有从设备的广播消息。 b 差错控制 四川犬学硕十学位论文 基带控制器有3 种纠错方式。1 3 比例前向纠错( 1 3 f e c ) 码，用于分组头； 2 3 比例前向纠错( 2 3 f e c ) 码，用于部分分组；数据的自动请求重发方式 ( a r q ) ，用于带有c r c ( 循环冗余校验) 的数据分组。差错控制用于提高分 组传送的安全性和可靠性。 c 验证和加密 蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息加密机制。验证基于“请求 一响应”运算法则，采用口令应答方式，在连接进程中进行，它是蓝牙系统中 的重要组成部分。它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许 主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。 加密采用流密码技术，适用于硬件实现。它被用来保护连接中的个人信息。 密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强 的安全机制。 ( 3 ) 链路管理器 链路管理器( l 蛐软件模块搜计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和 其它一些协议。链路管理器能够发现其它蓝牙设备的链路管理器，并通过链路 管理协议( l m p ) 建立通信联系。链路管理器提供的服务项目包括：发送和接收 数据、设备号请求( l m 能够有效地查询和报告名称或者长度最大可达1 6 位的 设备i d ) 、链路地址查询、建立连接、验证、协商并建立连接方式、确定分 组类型、设置保持方式及休眠方式。 ( 4 ) 软件结构和协议体系 a 软件结构 蓝牙设备应具有互操作性，即任何蓝牙设备之间都应能够实现互通互连， 这包括硬件和软件。对于某些设备，从无线电兼容模块和空中接口，直到应用 层协议和对象交换格式，都要实现互操作性；而另外一些简单的设备( 如耳机) 的要求则宽松得多。蓝牙计划的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能 进行互换性操作。软件的互操作性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的 发现，以及分组的分段和重组。蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装合适 6 四【i 大学硕士学位论文 的软件识别出彼此支持的高层功能。互操作性要求采用相同的应用层协议栈。 不同类型的蓝牙设备对兼容性育不同的要求( 如用户不能奢望头戴式设备内含 有地址簿) 。蓝牙的兼容性是指它具有无线电兼容性，有语音收发能力及发现 其它蓝牙设备的能力，更多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑来完成。 为实现这些功能，蓝牙软件构架必须利用现有的规范，而不是再去开发新的规 范。设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。 软件结构的功能有：配置及故障诊断工具、自动识别其它蓝牙设备、电缆 仿真、与外网设备的通信、音频通信与呼叫控制和商用卡的交易与号簿网络协 议。 蓝牙的软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。适用于 几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。蓝牙规范接口可以直接集成到 蜂窝电话、笔记本电脑等设备中，也可以通过p c 卡或u s b 接口附加设备连接。 b 协议体系 设计协议和协议栈的主要原则是尽可能地利用现有各种高层协议，保证现 有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性；充分利用兼容蓝牙技术 规范的软硬件系统和蓝牙技术规范的开放性，便于开发新的应用。蓝牙标准包 括c o r e 和p r o f i l e s 两大部分。c o r e 是蓝牙的核心，主要定义蓝牙的技术细 节；p r o f i l e s 部分定义了在蓝牙的各种应用中的协议栈组成，并定义了相应 的实现协议栈。这样就为全球兼容性打下了基础。 蓝牙标准主要定义的是底层协议，也定义了一些高层协议和相关接口。具 体的协议按s i g 的需要分为4 层： 核心协议 它是蓝牙协议的关键部分。包括基带部分协议和其它低层链路功能的基带 链路控制期协议；用于链路的建立、安全和控制的链路管理器协议l m p ；描 述主机控制器接口的h c i 协议；支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链 路控制和分配协议l 2 c a p ；发现蓝牙设备提供服务的s d p 协议等。 r f c o 电缆替代协议 7 四大学硕士学位论丈 它是一种仿真协议，在蓝牙基带协议上仿真r s - 2 3 2 控制和数据信号，为 上层协议提供服务。 t c s 电话控制协议 它是面向比特的协议，定义蓝牙设备间建立数据和话音呼叫的控制信令和 处理蓝牙t c s 设备群的移动管理进程；a t c o m m a n d 控制命令集是定义在多用 户模式下控制移动电话、调制解调器和用于仿真的命令集。 与i n t e r n e t 相关的高层协议 它定义了与i n t e r n e t 相关的p p p 、u d p 、t c p i p 协议及无线应用协议w a p 。 两个蓝牙设备必须具有相同的协议组成才能进行相互的通斜5 1 。 1 4 课题的来源和任务描述 1 4 1 课题来源 本课题来源于四川省科技厅应用基础研究项目“机器视觉及图像处理技术 研究”课题中关于建立满足项目测量要求的运动控制系统的研究与四川省科技 厅应用基础研究项目“蓝牙技术在测控系统中的应用”课题中关于实现蓝牙 技术应用于球面孔位精密测量系统的结合。 1 4 2 课题任务描述 “蓝牙无线传输技术在测控系统中的应用”课题总体要求足将蓝牙技术应 用于球面孔位精密测量系统中，实现上下位机的无线连接通讯，并能满足球面 孔位精密测量系统的测量精度和速度要求。 “机器视觉及图像处理技术研究”课题总体要求是测量球面孔系的座标位 置，被测量部件是表面粗糙度很低的半球壳，其外半径从5 0 m m 到8 5 m m 不 等，球体表面有按一定规律分布的中l 中5 n l r i l 的通7 l 和盲孔，且所有圆孔的 轴线均通过球心，在每一个被测量球体的顶部均有一轴线经过球心且垂直于半 球壳端面的通孔，该孔为测量的基准孔。 课题任务是测量球体表面圆孔与基准孔之间的空间夹角，即测量孔系坐 四川大学硕卜学位论史 标。要求每孔的转位及测量时间不超过4 0 s ，总的测量不确定度不超过3 0 。 其中，球体表面每个圆孔的测量与计算处理时间不超过2 4 s ，测量不确定度不 超过1 5 ”。测量系统球体转位装置每一孔位的转位时间不超过2 0 s ，转位误差 不超过1 5 ”。 9 四i i l 大学硕士学位论文 2 1 测量原理 第二章测量系统的结构和原理 球面孔位精密测量系统的任务主要是测量球体零件表面孔系位置，即目 标孔与基准孔之间圆心的的夹角，采用图像处理确定圆心，结合空间坐标计 算的方法予以实现。 图2 - 1 是本系统的测量算法模型。 图2 - - 1 球面孔系坐标几何模型 设球体顶部基准孔的圆心为a ，被测孔圆心为c ，基准孔轴线和被测孔轴 线之间的夹角，就是需要测量的角度。球体上爿、c 孔在眩平面和x z 平面内 夹角的设计尺寸分别是妒、y ，要测量a 、c 两孔的实际角度时，球体转位装置 首先按照设计尺寸把球体绕x 、y 轴旋转叭y ，旋转运动采用闭环控制，只要 反馈元件精度足够，可保证转位精度远高于制造精度和测量精度，因而转位误 差可忽略。由于存在制造误差，c 点不会与a 点原位重合，假设转至p 点， 运动控制器控制电机转动到位后，再控制扫描电机扫描图像，将图像数据经上 1 0 四川大学硕士_ 学住论文 位单片机送至p c 机 6 1 。 求球面上任意一圆孔中心点p 与基准孔中心点a 的角度关系交由上位p c 机处理运算，在本毕业设计中，此数学关系公式推导工作不是本论文的研究重 点，故不做深入讨论。 在进行整个球面孔系坐标测量时，首先测量基准孔，得到它的中心点a 坐标为( x o ，y o ) 。然后把球面另一被测圆孔( 设其中心为点c ，如图2 3 所 示) 按设计尺寸转位至测量位置，由于点c 不可能完全与原来点a 处重合， 假设点c 转位到非常靠近基准点a 的点p 处，此时点c 绕x 、y 轴旋转到点 p 的角度分别为v 、y ( 该值在闭环控制下完成转位，由反馈环节反馈至计算 机。误差忽略) 。显然，只要通过图像识别手段得到线段t p 和s p ( 以直线代 替实际弧) 的长度，即可根据图2 1 的模型计算出被测孔与基准孔的实际夹 角。因此运动控制器的主要任务就是通过读取编码器反馈信息控制2 # ，3 # 转位电机精确转位，并控制扫描电机在规定的时间内完成扫描，获得如下两个 几何量，将数据由图像采集卡传送至上位机处理运算，实现课题要求的角度测 量： ( 1 ) 球体绕x 、y 轴转位的角度，可通过测量出的线段t p 和s p 计算得 出； ( 2 ) 在球体旋转到位的情况下，圆孔中心的坐标。 2 2 测量系统结构 测量系统的整个装置如图2 2 所示。整个测量系统主要由球体转位系统、 图像采集系统、运动控制系统、蓝牙无线通讯系统和后台处理计算机系统四大 部分组成。 测量系统的主要组成部分为： ( 1 ) 球体转位系统主要包括球体夹持机构、蜗杆蜗轮传动装置、驱动电机、 四i i i 大学顾士学付论文 轴角编码器，数码显示箱等。 ( 2 ) 图像采集系统主要包括光源、物镜、分光片、光栅尺、数据采集号、监 测用面阵c c d 和测量用线阵c c d 及其驱动器。 ( 3 ) 运动控制系统主要包括扫描步进电机、扫描步进电机驱动器、转位步进 电机及其驱动器、嵌入式运动控制器。 ( 4 ) 蓝牙无线通讯系统主要利用两块单片机( 一块通过i s a 总线与上位处 理计算机通讯，另一块即运动控制器) 按照蓝牙协议规范以蓝牙单芯片 方案采用主从方式控制f 丙蓝牙模块b c 0 2 ，使其成功连接，实现上下位 机之间数字信息的无线通讯。 ( 5 ) 后台处理计算机系统主要利用上位计算机( p c 机) 在操作系统上运行 v i s u a lc + + 6 0 软件，通过蓝牙无线通讯技术控制整个测量系统的运行， 指示嵌入式运动控制器驱动球体转位，带动线阵c c d 扫描圆孔图像； 读取c c d 数据采集卡上s r a m 内存储的图像数据和光栅数据；对圆7 l 图像进行处理及圆心识别，根据测量数学模型计算两孔之间的夹角，并 1 2 阴。f 大学颂士学位论文 将其存储在后台数据库中。 2 3 测量过程描述 对每一个圆孔的测量过程为：通过转位系统将被测孔转位至光电测量系统 的物镜视场内，然后，启动扫描电机驱动线阵c c d 运动，由线阵c c d 扫描 圆孔图像，高精度光栅位移传感器用来记录线阵c c d 每一行的位置坐标。线 阵c c d 每行包含5 0 0 0 个像元，每个像元间距为7p1 1 1 ，故有效扫描宽度为5 0 0 0 7 | im = 3 5 m m 。电机有效行程为3 2 m m ，因此，最大采集区域为3 5 r a m x 3 2 m m 。线阵c c d 扫描一个行程，就完成一次图像数据采集，由线阵c c d 采 集到的数据和由光栅尺记录的线阵c c d 坐标的数据被送到数据采集卡中，上 位机通过数据总线从采集卡的s r a m 中读出c c d 数据和光栅数据，然后，采 用数字图像处理的方法对灰度图像进行处理，识别出圆心坐标。具体的测量方 法： ( 1 ) 校正测量系统，使基准孔轴线与光电测头上的物镜轴线重合。 ( 2 ) 启动扫描电机采集基准孔图像数据，并识别圆心坐标。 ( 3 ) 利用球体转位装置将被测孔转过名义角度，其转位角度通过两轴端的高 精度轴角编码器进行反馈，以闭环方式实现球体转位控制。 ( 4 ) 识别出被测孔圆心坐标，结合转位角度，根据式2 - - 1 5 即可得出两孔之 间的实际夹角。 机) 的相应端口，单片机依据控制线的状态决定是读取命令字还是距离字。在 单片机获取新指令后，将指令状态位取反，回送给上位p c 机，表明其正确接 收到指令，并开始执行指令，执行完i # 后，单片机又将指令原型发送到反馈应 答信号缓冲器7 4 l s 2 4 5 中，上位p c 机结合其读写信号线以读端口的形式读入 应答信号，确认单片机执行指令完毕，从而完成p c 机与运动控制器的一个通 讯周期。 步进电机是一种数字式执行元件，可以直接接收单片机发送的”l 逻辑 信号。单片机收到上位p c 机发出的命令和距离字后，通过p l 和p 3 口控制步 进电机的转动。本系统中，由单片机作为脉冲信号发生器产生步进电机需要的 步进脉冲。首先对定时器装载初值，然后启动定时器计数，计满回零时，定时 器向单片机c p u 发出溢出中断请求，c p u 响应中断请求后，执行中断予程序， 执行一次中断程序，输出电平取反一次，这样周期循环，就可得到一个具有一 定频率的方波。 图3 1 原系统步进电机控制卡原理框图 1 4 网川大学碗 学位论文 这样，p c 机通过发送特定的命令字和距离字给运动控制器，向其输入方 向位，脉冲频率，脉冲记数值等信息，就可以精确控制步进电机的转动方向， 转动速度和转动距离，从而使电机可以在一定的时间内准确的运行到预定的位 置，实现测量。 3 1 蓝牙技术应用于运动控制系统的需要和优势 按照上述的控制原理，已经成功的建立了一套可靠稳定快速的测量系统， 并且已经投入使用。但是在此系统中，各个部件相互连接的缆线繁多，系统显 得比较复杂，p c 机与测量电机无法分离，5 2 单片机的处理任务繁重，其并行 接口也己基本使用完，这不利于实现系统的改进