（测试计量技术及仪器专业论文）蓝牙无线数据采集传输系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 蓝牙技术是近年来发展迅速的无线通信技术，以低成本，短距离无线连接为 基础，为便携式电子设备和固定式电子设备通信环境建立一个特别连接。利用蓝 牙技术构建的无线数据采集传输模块，具有减少系统间的电缆连接的优点，可以 应用于构建现场数据采集系统、各种监测和控制的场合。因此，研究蓝牙技术构 建的无线数据采集传输系统具有重大的现实意义和应用前景。 本文首先对蓝牙技术的概况、应用前景以及数据采集技术的现状和基本构成 等作了简单的介绍，在此基础上将两者相结合，完成了以下主要工作： 1 提出了一种基于单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 和蓝牙模块r o k1 0 1 0 0 8 的无线数据采 集传输系统的实现方案。 2 完成了硬件电路的设计及电路板的制作。 3 完成了数据采集和蓝牙无线传输软件程序流程的设计，并在k e i lg v i s i o n 2 编程软件系统下，运用c 语言进行了编程编译。 4 ，完成了系统软、硬件的调试和系统的总体调试，实现蓝牙系统之间点到点 的无线通信。 结果证明所研究的蓝牙无线数据采集传输系统在实验室中的实验效果较好， 数据收发速度快，传输比较稳定，可以达到实时采集、实时监测的要求，所以该 系统具有较强的实用性，在各种工矿、企业中有很大的应用前景。 关键词：蓝牙技术，数据采集，无线传输 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sak i n do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt h a th a s r a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s i tf o u n d sas p e c i a lc o n n e c t i o nb e t w e e ns t a t i o n a r y a n dm o b i l ed e v i c ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tb a s e do nl o w - c o s ta n ds h o r t r a n g e w i r e l e s sa 0 7 e s s a p p l y i n gb h i e t o o t ht e c h n o l o g yi n t ot h ed a t as a m p l ea n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l ec a nr e p l a c et h ed a t at r a n s m i s s i o nc a b l e si ns y s t e m i tc a nb e a p p l i e di n t os o m em o n i t o ro ff a c t o r yf i e l d , s oi tw i l lg e tg r e a ta p p l i c a t i o ni nf a c t o r i e s a n de n t e r p r i s e s i nt h i st h e s i s ，t h eo v e r v i e wa n dt h ea p p l i c a t i o na s p e c to fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , t h e d e v e l o p m e n ta n dt h ec o m p o s i t i o no fd a t aa c q u i s i t i o na r ef a s ti n t r o d u c c db r i e f l y b a s e d o nt h ea b o v ep r e s e n t a t i o n , t h em a yw o r kh a sc o m p l e t e da sf c i l l o w s ： 1 1 1 l ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l es y s t e mi sp u tf o r w a r dw h i c hm a d eu do f t h em c uc h i pc 8 0 5 1 f 0 2 0a n dt h eb l u e t o o t hm o d u l er o k l 0 1 0 0 & 2 i th a sc o m p l e t e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ea c to fm a k i n gc i r c u i t b o a r d 3 t h cf l o wc h a r td e s i g no ft h es o f t w a r ef o rd a t aa c q u i s i t i o na n db l u e t o o t h w i r e l e s st r a n s m i s s i o nh a sb e e nf i n i s h e d , w h i c hi sc o m p i l e di ncl a n g u a g eu n d e rt h e s o f t w a r es y s t e mo f k e i l t v i s i o n 2 4 t h ed e b u gf o rt h eo v e r a l ls y s t e ma sw e l la st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a sb e e n c a r r i e do u ta n dc o n s e q u e n t l yr e a l i z e st h et h ew i r e l e s sp o i n t - t o p o i n tc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nb l u e t o o t hs y s t e m s 1 f l l et e s tr e s u l ts h o w st l l a tt h ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l es y s t e ma c h i e v e s s a t i s f i e de f f e c tw i t hh i 吐s p e e da n dr o b u s t n e s si nd a t at r a n s m i s s i o na n dt h ea b i l i t yo f r e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n ga sw e l l , w h i c hm a k e st h es y s t e me x t r e m e l y p r a c t i c a la n dt a k e 哑ap r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c ti nm a n ye n t e r p r i s e sa n d f a c t o r i e s k e y w o r d s ：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o n h 佩 3 【亡工誊火罄 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：加办诼日期：u 9 年r 月巧咱 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：劢咋 日期：纱力年y 月玎日 指导教师签名：针靠芋 日期：2 町年了月2 占日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章引言 随着微电子技术与超大规模集成电路技术的进步，微处理器、存储器，输入 输出等外设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，数据采集技术是信息获取的主要手段， 它广泛应用于信号监测、信号处理、仪器仪表等领域。而传统的数据采集端和控 制端是以有线的形式连接的，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，因此，采 用无线的方式采集数据，利用更好的软件开发数据采集及分析系统显得尤为必要i l 】 h i 。现阶段存在的无线通信技术有以下几种：i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n 红外 无线数据传输技术) 、i e e e8 0 2 1 1 ( 一种无线以太网标准) 、h o m e r f ( 一种无线局域 网技术】和b l u e t o o t h ( 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，并且可以支持点对点和点对多点的连接，特别是用于便携式设备。 本文正是将无线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 与无线数据传输模块，设计出一种体积小、功耗低、安装维护方便的便携式产品， 实现了蓝牙无线数据的采集和传输，使之在工矿企业或在实验室都能得到广泛的 应用。用无线产品替代现有的有线产品将是科技发展的趋势，基于蓝牙技术的嵌 入式监测与诊断系统的开发是自动化和智能化测控系统研究的热点领域。因此这 方面的研究具有较为重大的现实意义和广阔的应用前景1 2 2 1 矧。 1 2 蓝牙技术发展概况 蓝牙作为一种短距离无线通信技术标准，实质内容是要建立通用的低功耗、 低成本无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合， 使相关的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具 有互用、相互操作的功能。从目前的应用来看，由于蓝牙在小体积和低功耗方面 的突出表现，它可以被集成到大部分的数字设备之中，特别是那些对数据传输速 率要求不高的设备1 1 “。 蓝牙技术使各种移动设备、计算机外设的数字设备之间的无线廉价连接成为 湖北工业大学硕士学位论文 可能，它不仅取代了这些设备之间的点连接，而且还使得许多数字设备的功能得 到了扩充，让原来独立的数字设备可以与其他设备联网交换信息。谁也无法预测 到蓝牙技术会带来多少新的应用，在这种可以被集成到几乎任何数字设备的技术 提出以后，人们充分展开想象，提出了许多的应用设想，有些已经有产品问世【3 9 1 。 蓝牙技术在计算机及外设中的应用包括计算机与键盘和鼠标等计算机外设的 无线连接，多台计算机共享一台打印机等设备资源，数码相机、p d a 和移动电话 等与计算机进行数据通信，多台计算机组成无线局域网等【5 2 1 。 蓝牙无线语音通信的应用：如无线耳麦和车内的免提电话系统等。 无线网络的实现：包括拨号上网和网络接入点两种“互联网桥”的实现方法。 拨号上网可以使得笔记本电脑等移动设备通过移动电话接入i n t e m e t ：蓝牙无线网 络接入点不仅可以让数字设各访问i n t e r n e t 和接入本地局域网，还可以作为p s t n 的接入点使用【4 ”。 基于o b e x 替代红外技术的蓝牙技术应用：包括p d a 和笔记本电脑等设备间 交换电子名片，不同设备上的日程表和资料等实现同步，不同的设备之间传递文 件等功能蟑习。 家用电器的蓝牙无线组网和遥控：让家用电器上网，可以在回家之前就打开 空调和热水器，使各种智能家电和信息网络相连嘲。 实现“三合一”电话功能：将移动电话、无绳电话和对讲机三种功能集中在 一部电话中。 目前，蓝牙技术在汽车远程通讯应用中取得突破，2 0 0 3 年0 8 月3 0 日两大汽 车制造商克莱斯勒和宝马公司同时发布了基于蓝牙的车载远程通讯平台，这标志 着蓝牙无线技术在汽车界赢得更广泛的接受，车载系统正向智能化、信息化和网 络化方向发展，汽车市场已经成为电子工业一个重要的增长点。通过具有蓝牙功 能的手机，蓝牙车载系统可以实现汽车自动故障诊断、电子导航等多种富有创意 的应用【4 】1 3 2 】。 其他的应用：包括u s b 适配器、车锁，甚至还有继承了蓝牙技术的手表和钢 笔等【4 2 1 。 1 2 1 无线通信技术 目前无线通信技术主要有i e e e 8 0 2 1 1 ，h o m e r f 、i r d a 和蓝牙技术等【3 5 1 ，这里 选择蓝牙技术是因为，对于本系统在实现数据采集传输方面，它较其他无线通信 技术有很多优点。为了说明其优越性，首先介绍上述几种无线通信技术的基础上， 将其性能进行比较。 2 湖北工业大学硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 1 是l i e 可电气和电子工程师协会) 制定的一个无线局域网标准，主 要用于解决办公室局域网和校园网中的用户与用户终端之间的无线接入。 i e e e 8 0 2 1 1 业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2 m b p s 。由于l e e 8 0 2 1 1 在速率上的不足，i e e e 又相继推出了i i e e 8 0 2 1 1 和i e e e 8 0 2 1 1 a 这两个新的标准。 i i e e 8 0 2 1 1 b 使用开放的2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输速率为1 1 m b p s ，无 需直线传播( 其实际的传输速率在5 m b p s 左右) 。使用动态速率转换，当射频情况 变差时，可将数据传输速率降低为5 5 m b p s ，2 m b p s 和i m b p s 。且当工作在2 m b p s 和1 m b p s 速率时可向下兼容i e e e 8 0 2 1 1 ，i e e e 8 0 2 1 l b 的使用范围在室外为3 0 0 米，在办公环境中则最长为1 0 0 米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认， 来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。 h o m e r f 是i i e e 8 0 2 1 1 与d e c t 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。 与前几种技术一样，使用开放的2 4 g f i z 频段。采用跳频扩频技术，跳频速率为5 0 跳秒，共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道。调制方式为恒定包络的f s k 调制， 分为2 f s k 与4 f s k 两种。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为1 m b p s ；4 f s k 方 式下，速率可达2 m b p s 。在h o m e r f2 x 标准中，采用了w b f h ( w i d eb a n df r e q u e n c y h o p p i n g ，宽带调频1 技术来增加跳频带宽，由原来的1 m h z 跳频信道增加到 3 m h z 5 m h z ，跳频的速率也增加到7 5 跳，秒，数据峰值达到1 m b p s 。 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 是一种利用红外线进行点对点通信的技术， 是由红外线数据标准协会制订的一种无线协议，组织成立于1 9 9 3 年，是一个致力 于建立无线传播连接的国际标准的非营利性组织，目前在全球拥有1 6 0 个会员。 现行的i r d a 传输速率为最新v f i r 的1 6 m b p s ，相比原来f i r 的4 m b p s 快了4 倍。 接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。并且其硬件及相应软件技术都已比较成 熟。 蓝牙( b i u e t o o t h ) i 卅1 2 6 1 是一种开放性短距离无线通信技术标准。它是面向移 动设备间的小范围连接，其本质可以说它是种代替线缆的技术。从应用的角度 来讲，它与目前广泛应用于微波通信中的一点多址技术十分相似；因此，它很容 易穿透障碍物，实现全方位的数据与语音传输。 本论文选择蓝牙技术来实现数据的传输是因为：蓝牙与i e e e 8 0 2 1 l b 一样，使 用2 4 g h z 频段，采用跳频扩频。以2 4 5 g h z 为中心频率，来得到7 9 个1 m h z 带 宽的信道。由于使用比较高的跳频速率，使蓝牙无线系统具有较高的抗干扰能力。 在发射带宽为1 m h z 时，其有效数据速率为7 2 1 k b p s 。与l r d a 相比，蓝牙支持点 对点和点到多点的连接，使用无线方式将多个蓝牙设备连成一个微微网，多个微 微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类 3 湖北工业大学硕士学位论文 设备之问的快速通信。i r d a 是一种视距传输技术，也就是说在多个具有i r d a 接 口的设备之间传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的， 但在多个设备之间传输数据就必须彼此调整其位置与角度等。其次，i r d a 设备的 核心部件一红外线l e d 是一种不耐用的器件，频繁使用会令其使寿命大大缩短。 与h o m e r f 相比，跳频是蓝牙使用的关键技术。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频 速率为1 6 0 0 跳秒：对应于时隙包，跳频速率有所降低：但在建链时则提高为3 2 0 0 跳秒。以2 4 5 g h z 为中心频率，来得到7 9 个1 m h z 带宽的信道。由于使用比较 高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。因为h o m e r f 技术没有公开， 习前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术两言，不够成熟，因 此注定它没有广泛的应用前景唧】。与蓝牙相比，在技术上，i e e e 8 0 2 1 1 只规定了 开放式系统互联参考模型的物理层，8 0 2 1 1 定义了三种不同的物理介质：红外线、 跳频扩谱方式( f h s s ) 以及直扩方式( d s s s ) 。8 0 2 1 1 支持1 - l l m b s 的数据速率，但 是它只支持数据通信，要进行无线数据通信，数据设备先要安装有无线网卡。蓝 牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快， 因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。i e e e 8 0 2 1 l b 实 现的是有形的、特定的网络，而由蓝牙形成的网络是无形的、看不见的。在应用 上，i e e e 8 0 2 1 l b 的传输距离长、速度快，而蓝牙技术面向的却是移动设备间的小 范围连接，因而本质上说，它是一种代替电缆的技术，在速率小于1 m b s 的蓝牙 技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合，适合用在工矿企业或在 实验室等简易数据传递，因此对于本系统采用蓝牙技术作为数据传输的方案1 3 q 。 1 2 2 蓝牙技术概况 1 9 9 4 年，爱立信移动通讯公n ( e r i c s s o nm o b i l e ) 开始研究在移动电话及其附件 之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识 到短距离无线通信的应用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为 蓝牙。蓝牙的英文名称是b l u e t o o t h ，取自中世纪欧洲丹麦的个开国皇帝h a r a l d b l u e t o o t h 的名字，他为统一四分五裂的瑞典、丹麦、芬兰立下了汁马功劳。瑞典 爱立信公司为这种即将成为全球通用的无线技术命此名，也许大有一统天下的含 义。1 9 9 8 年5 月，爱立信、因特尔、东芝、诺基亚和i b m 等5 家公司组成的“蓝 牙专门兴趣小组”( 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 s i g ) 把蓝牙无线技术的理念正 式推向社会，使其成为无线技术的全球规范。3 c o m 、朗讯( l a c e n 0 、微软和摩托罗 拉很快加盟s i g ，与s i g 的五个创始公司一同成为s i g 的九个倡导发起者。1 9 9 7 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 0 版：1 9 9 9 年1 2 月公布了蓝牙规范1 0 b 版：2 0 0 3 4 湖北工业大学硕士学位论文 年4 月公布了目i i f 最新的2 0 版本的蓝牙技术规范i b 】1 1 5 j1 1 6 1 1 ”l 。 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、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输 距离为1 0 0 n 一1 0 m ，如果增加功率或是加上某些外设便可达到1 0 0 m 的传输距离。 它采用2 4 g h z i s m 频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、a r q 、t d d 和基 带协议。t d m a 每时隙为0 6 2 5 1 * s ，基带符合速率为1 m b s 。蓝牙支持6 4 k b s 实时 语音传输和数据传输，语音编码为c v s d ，发射功率分别为l m w , 2 5 m w 和1 0 0 r o w ， 并使用全球统一的设备识别码。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具 有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而 且应用简单、容易实现，所以易于推广【9 】。 蓝牙支持点对点和一点对多点的通信i 捌1 2 1 1 。蓝牙最基本的网络组成是匹克网。 匹克网实际上是一种个人区域网，这是一种以个人区域( 即办公室区域) 为应用环境 的网络构架。在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。一个匹克网 中只有一个主设备单元，而从设备单元目前最多可以有7 个。蓝牙技术的另一大 优势是它应用了全球统一的频率设定，这就消除了“国界”的障碍，而在蜂窝式 移动电话领域，这个障碍已经困惑用户多年。另外，i s m 频段是对所有无线电系 统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某 些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是干扰。与其它工作在相 同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术比其它系统都更 稳定 6 1 。蓝牙技术指标可总结如下表1 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 表1 1 主要技术指标和系统参数 指标类型系统参数 工作频段 双工方式 业务类型 数据速率 异步信道速率 同步信道速率 功率 跳频频率数 跳频速率 工作模式 数据连结方式 纠错方式 信道密码 发射距离 l s m 频段，2 4 0 2 - 2 4 8 0 g h z 全双工，t d d 时分双工 支持电路交换和分组交换业务 1 m b s 非对称连接为7 2 l k b s - - 5 7 6 k b s ，对称连接为4 3 2 。6 k b s 6 4 k b s ，2 0 + e d r 规范支持更高的速率 美国f c c 要求功率级 由传输层通过u a r t 或u s b 接口与 主机通信。符合蓝牙规范1 1 。 ( 7 ) 蓝牙无线电接口。蓝牙技术是一种短距离无线连接的通讯手段，无线通 讯的传输距离主要依赖射频使用的频率、射频发送的功率、接收灵敏度及天线的 性能。良好的天线设计在蓝牙应用中有着相当重要的意义。目前最常见的蓝牙天 线有偶极天线、倒f 天线等。由于这些天线具有近似全向性的辐射场型以及结构 简单、制作成本低的优点，所以非常适合嵌入蓝牙技术装置使用。偶极天线的外 观是圆柱状或薄片状，通常有两种外接接线方式，一种是在天线底端有一接头为 能量馈入点，可与蓝牙模块的射频电路连接。另外一种天线外接方式是使用u 旋 转式接头，这种方式的优点是天线可以依照使用需求做任意的旋动并籍以提高传 输效果，但是缺点在于可旋转式接头的成本较高。倒f 天线由于其结构与倒置的f 相似而得名。由于其结构中已经包含有接地金属面，可以降低对模块中接地金属 面的敏感度，所以适合用在蓝牙模块装置中。另一方面，由于倒f 天线只需利用 金属导体配合适当的馈线及天线短路接到接地面的位置，故其制作成本低，而且 可以与p c b 电路板焊接在一起。本课题购买的天线单元，采用的是微带倒f 天线。 蓝牙模块输出功率为二级，最大输出功率4 d b m ，不需要功率控制。模块使用典型 的天线，额定范围达到1 0 m ( 在0 d b m ) 。在i s m 频带，符合f c c 和e t s i 规则。 湖北工业大学硕士学位论文 ( 8 ) 主机控制器接口和链路管理器固件。l m 、u a r t 接口、p c m 语言接口、 1 2 c 接口、天线接口等。 模块中的u a r t 支持的波特率为：3 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0 ，1 2 0 0 ，1 8 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ， 9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 ，3 8 4 0 0 ，5 7 6 0 0 ，1 1 5 2 0 0 ，2 3 0 4 0 0 ，4 6 0 8 0 0 b i t s s ，有一个1 2 8 字节的 f i f o 先进先出队列。u a r t 接口提供四根信号线，t x d 与r x d 是输入输出数据 线；r t s 与c t s 是控制线，可以用来进行流量控制，避免i 临时的u a r t 缓冲区溢 出。 模块还遵守u s b 2 0 规范，提供两根双向数据线d + ，d 。另外还提供两个信 号线：d e t a c h 和w a k e 一个呼入连接，就用w a k eu p 信号唤醒主机。当主机需要挂起时就用d e t a c h 信号来通知模块。 p c m 语音接口有四根信号线，p c m 用来设置采样速率。_sync p c m 烈，p c mo u t 为输入输出数据线。p c mc l k 为p c m 时钟信号。1 2 c 总线接 口用来扩展外部设备。1 2 cd a t a 为数据线，1 2 cc l k 为总线时钟。 其中的u a r t 接口和u s b 接口为h c i 接口，本系统要实现蓝牙模块间的无线 通信，微处理器与蓝牙模块之间的通信必须要通过h c i 接口来实现。由于u a r t 接口已经可以满足本系统数据传输的需要，所以采用u a r t 接口。同时本系统不 需要扩展外部设备，所以不需要用到1 2 c 总线接口，同时也不涉及语音传送，没有 用到p c m 语音接口。本系统主要完成的主要任务就是微处理器通过h c i 接口控制 蓝牙模块，最终实现蓝牙模块间的无线数据传输。 另外，r o k1 0 10 0 8 的工作电压v c c 为3 1 7 5 v 5 。2 5 v ，推荐值为3 3 v ：i o 口 的工作电压为v c c 幻为2 7 v 一3 6 v ，推荐值为3 3 v 。逻辑输入高电平为 0 7 v c c 砷一v e x ：d ，逻辑输入低电平为0 - 0 3 v c c1 0 。 本文设计采用的是蓝牙r o k l 0 1 0 0 8 的u a r t 接口与c 8 0 5 1 f 0 2 0 相连接，其简 单的接口电路原理图如图2 6 。 湖北工业大学硕士学位论文 2 5 供电模块 图2 6r o k l 0 1 0 0 8 与c 8 0 5 l f 0 2 0 接口电路简图 由于微处理器c 8 0 5 1 f 0 2 0 工作电压是2 7 以6 v ，蓝牙模块工作在3 3 v 电压， 所以系统必须提供稳定的3 3 v 电压。丽显示模块需要提供5 0 v 电压，所以本系 统采用了d c d c 模块转换，将1 2 v 转换5 v ，以及5 v 转换3 3 v 的转换芯片，以 提供稳定的5 v 、3 3 v 直流电压。电源转换图如2 7 所示。一 图2 7 电源转换电路 爨u 县 习舞v 湖北工业大学硕士学位论文 2 6 本章小结 硬件电路的设计是本系统设计的重点之一，本章给出了蓝牙无线数据采集传 输系统的硬件设计框图和具体的电路图，着重介绍硬件系统的主要芯片及模块的 选取，并阐明了硬件系统中各个组成模块电路的实现及功能。 湖北工业大学硕士学位论文 第三章蓝牙无线数据采集传输系统的软件设计 蓝牙无线数据采集传输模块系统的关键在于实现蓝牙无线模块间的无线数据 通信。该模块的软件主要包括两部分内容，一是数据采集，是蓝牙通信。该软 件在w i n d o w s 环境下采用k e i ig v i s i o n 2 软件用c 语言编写。程序编写完成后先利 用k e i l 软件编译成+ h e x 格式文件，然后用程序加载器u e c 2 串行适配器和标准 j t a g 加载到c 8 0 5 1 f 0 2 0 。在无线传输和接收部分，采用了蓝牙适配器和数据采集 板相结合，最后实现数据采集和传输的功能。 3 1 软件编译环境及加载工具 蓝牙无线数据采集传输模块的关键在于实现蓝牙模块间的无线数据通信“”。 该模块的软件主要包括两部分子内容，一个是蓝牙通信，另外一个是数据采集。 该软件在w i n d o w s 环境下采用k e i lo v i s i o n 2 开发和调试单片机，软件使用c 语 言编写。程序编写完成后先利用k e il 软件编译成木h e x 格式文件，然后用程序加 载器u - e c 2 串行适配器和标准j t a g 加载到c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，具体的内容如下。 蓝牙无线数据采集传输模块软件采用c 5 1 编写，编译环境为k e i l t v i s i o n 2 ， 界面如图3 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图3 1k e i l 州i s i o n 2 界面 新建一个项目，首先用c 语言按程序流程编写程序，然后把编写好的丰c 文件 加入到工程中，选择好设备( 本论文在a n a l o gd e v i c e s 选中s i l i c o n 的c 8 0 5 1 f 0 2 0 等) 和环境参数( 存储器模式、代码空间大小、输出模式等) 就可以对程序进行编译， 在编译过程中若有错误，编译软件就会在编译状态方框中给出错误的数目和类型， 根据错误的类型可以逐一改正错误，直到编译通过，编译输出模式可以设置生成 h e x 文件( 十六进制文件) 和牢1 s t 文件( 供调试时使用) 。编译成功后就可以进行 软件调试，即输入一定的初始值和参数就可以观察程序的运行情况( 包括个寄存器 的值、各变量值的变化情况、各i 0 口的值、串口的输入输出值等) ，也可在程序 中设置断点，进行断点观察。 软件编程生成的文件需要加载到硬件系统才能实现相关的功能，所以前期需 要从相关的网站上下载最新的i d e ，为系统提供性能良好的测试工具，同时需要 j 1 a g u e c 2 串行适配器和标准的j t a g 电缆，可充分利用系统内在的监测能力。 本系统的加载工具是u e c 2 ，它是计算机u s b 转为j t a g 接口的适配器，专用 于开发c 8 0 5 1 f 系列的m c u 。其安装下载如下图3 2 调试使用界面： 湖北工业大学硕士学位论文 图3 2u e c 2 调试使用界面 该通用件可更换不同的目标板，可调试不同的c 8 0 5 1 f 系列的m c u ，而且可 以实现单步，硬件断点，连续单步，可控制程序停止与运行，支持存储器和寄存 器的修改和查看，下载程序到储存器等功能。 3 2 蓝牙通信 蓝牙作为一种短距离的无线网络技术，为设备之间的互联提供了方便。使用 蓝牙互联的大都是“智能主机”，它具有处理器、总线和操作系统，蓝牙必须与它 们有机地融合在一起才能发挥作用。本节就是关于蓝牙与主机系统之间接口的规 范。由于本课题微处理器与蓝牙模块之间的接口采用的是u a r t 传输层，所以本 章最后对h c i 的u a r t 传输层进行了分析。 3 2 1 蓝牙主机控制接口( h c i ) 蓝牙主机控制器接口( h c i ) 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调 用下层( 基带和链路管理层) 状态和控制寄存器等硬件的统一指令接1 ：3 。它们为上层 软件模块提供了不同的访问入口，也就是说蓝牙设备的高层软件和底层硬件两个 湖北工业大学硕士学位论文 模块接口之问的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口的解释才能进行。 h c i 以上部分是协议软件实体，而h c i 以下部分为蓝牙硬件模块，二者之间通过 传输层进行交互。 h c i 传输层是指蓝牙主机和蓝牙主机控制器之间相连的物理接口。h c i 传输层 包括u s b ，r s 2 3 2 ，u a r t 和p c 卡传输层。下面介绍一下和本文有关的u a r t 传 输层。本系统采用的传输层是u a r t 接口。 h c i 的u a r t 传输层和r s 2 3 2 传输层都采用串行通信的方式在蓝牙设备的主 机控制器接口之间进行数据传输，两者间的区别在于应用环境。u a r t 传输层针对 的环境是蓝牙芯片和主机在同一块印刷电路板上的情况，因此线路误码相对较少。 r s 2 3 2 传输层支持的是蓝牙芯片和位于不同实体中的主机进行通信的情况，距离 较远并且具有较高线路误码率，因此r s 2 3 2 传输层对信号电器特性进行了规定。 使用h c i 的u a r t 传输层的前提是假设没有线路误码，因而与h c i 的r s 2 3 2 传输层相比，其分组格式只有指令分组、a c l 数据分组、s c o 数据分组和事件分 组，而没有错误消息分组和协商分组。与h c i 的r s 2 3 2 传输层一样，h c i 的u a r t 传输层也使用分组指示器来区分这四种分组，h c l 分组紧跟在h c l 分组指示器之 后发送。 u a r t 采用了r s 2 3 2 的接口参数设置：波特率由生产商确定：8 位数据位；无 奇偶校验位；1 位停位；流控信号为r 1 c t s ；流关闭响应时间由生产商确定。 r t s c t s 信号用来阻止u a r t 缓存的暂时溢出，它不应该用于h c i 层的流控， 因为h c i 层有自身的流控机制。如果c t s 为1 ，则主机主机控制器可以发送分组： 如果c t s 是0 则不能。流关闭响应时间定义了从r t s 置o 到字节流实际停止的最 大时间。u a r t 信号线将以空调制解调器的方法相连：本地t x d 连接到r x d ，本 地r t s 连接到远端c t s ，反之亦然。 如果主机或主机控制器在通信过程中失去了同步，则需要进行复位。丢失同步 的标志是发现了错误的h c l 分组指示器，或者h c l 分组中的长度字段超出范围。 在主机和主机控制器的方向发生同步丢失后，主机控制器将发送一个硬件错误事 件分组通知主机，然后等待主机发来的复位命令来执行复位。接下来主机控制器 也将使用复位命令来重新开始同步。在主机控制器到主机的方向发生同步丢失后， 主机将使用复位命令来对主机控制器进行复位，接着主机通过检查复位命令的命 令完成事件来重新开始同步。 显然h c iu a r t 驱动程序是微控制器通过u a r t 接口驱动蓝牙硬件模块所必 需的。它负责链路的链接建立与控制、低功率模式和链路级安全管理等。此外所 有的通信数据分组都要映射到h c i 数据分组中进行传输，必要时协助逻辑链路控 湖北工业大学硕士学位论文 制适配层完成拆分汇聚功能等。 3 2 2 蓝牙h c i 通信流程 两个蓝牙设备建立无线数据通信通常要经过查询和建立连接的过程“。在本 次课题中，仅涉及到数据通信，而没有涉及到语音通信，因此建立的是a c l 链路。 在通过蓝牙模块进行数据通信时，首先要进行蓝牙模块的初始化和h c i 层流控设 置。 典型的蓝牙模块间的a c l 数据通信流程一般有六个步骤：蓝牙模块自身初始 化、h c i 流量控制设置、查询、建立连接、进行数据通信和断开连接。 初始化程序主要是单片机对蓝牙发送一系列命令分组。单片机每向蓝牙发送 一个h c i 命令分组就要接收益牙返回的事件分组，判断命令执行的情况。若返回 事件分组不正确就要重新初始化蓝牙，直到完全正确。蓝牙设备在初始化完成之 后，通过打开主机控制器到主机的流量控制，并通过h o s tb u f f e rs i z e 指令来对 流量控制进行配置，包括数据分组的长度等。此后，主设备查询周围的蓝牙设备， 找到之后即可向其发出建立连接指令，建立a c l 连接。成功建立连接之后就可以 进行数据通信。通信完成后，主设备和从设备都可以发出断开连接的命令 d i s c o n n e c t i o n 。在上述过程中，查询过程不一定存在( 已经事先知道从设备的 b d _ a d d r ) ，所以这只是一般的流程模型。如果在任何一条指令分组发出后，返回 错误的事件分组，则指令需重发直到正确为止。本节下面主要对h c i 指令及事件 做概括1 。 其中主要h c i 指令及事件如下： ( 1 ) 复位蓝牙模块所用到的指令： h c ic o m m a n dr e s e r 指令用来复位蓝牙模块。 ( 2 ) 初始化蓝牙模块所用到的指令及事件： h c ic o m m a n dr e a db u f f e rs t z e 指令返回h c i 缓冲区的容量。 h c l c o m m a n ds e te v e n tf i l t e rc l e a r 指令用来清除事件过滤器。 h c i _ c o m m a n d _ w r l t es e a ne n a b l e 指令用来写入扫描允许结构参数 值。 h c i _ c o m m a n dw r i t e _ a u t h e n t i c a t i o ne n a b l e 指令写入鉴权允许 参数值。该值控制蓝牙设备使用其他蓝牙设备各种链接的鉴权申请。 h c ic o m m a n dw r i t ev o i c es e t r l n g 指令写入话音设置参数值，控制所 有话音链接的各种设置。 h c i c o m m a n d s e t e v e n t f i l t e r 指令指定不同事件过滤器。 湖北工业大学硕士学位论文 h c l c ：o m m a n dw r i t e _ c o n n e c t i o n c c e p l ：m e o u t 指令写链接 识别超时结构参数值，在指定区段出现后，该指令允许蓝牙硬件自动拒绝链接申 请和拒绝新的链接。 h c i c o m m a n dw r i t ep a g e _ t i m e o u t 指令写呼叫响应超时结构参数， 在本地设备返回链接失败前，该值是允许蓝牙硬件定义等待远程设备链接申请的 时间量。 h c i c o m m a n d _ r e a db da d d r 指令读出蓝牙设备地址b da d d r 。 h c i _ c ：o m m a n ds e th o s t c o n t r o l l e rt oh o s tf l o wc o n t r o l 指令用于主控制器自接打开或关闭主控制器到主机的流控制。 h c i c o m m a n dh o s tb u f f e r _ s i z e 指令用于主机通知主控制器有关从主 控制器到主机h c i a c l 和s c o 数据分组发送的数据部分的最大长度以及能够存放 在主机数据缓冲区的h c ia c l 和s c o 数据分组的总数。 h c l e v e n tc o m m a n dc o m p l e t e 指令完成事件山主控制器用于为每一 h c i 指令传递指令返回状态和其他事件参数。 h c l e v e n tc o m m a n d _ s t a t u s 指令状态事件用于表示己收到 c o m m a n d _ o p c o d e 参数所描述指令，且主控制器正在执行该指令任务。 ( 3 ) 查询过程所用的指令及事件： h c i _ c o m m a n d _ i n q u i r y 指令使蓝牙设备进入查询模式，查询模式用于搜 索附近的蓝牙设备。 h c i e v e n t _ i n q u i r yc o m p l e t e 查询完成事件表示查询已经完成。 h c i _ e v e n t _ i n q u i r y r e s u l t 查询结果事件表示在当前查询进程中已有 一或多个蓝牙设备应答。 ( 4 ) 建立链接过程所用到的指令及事件： h c i c o m m a n d _ c r e a t e c o n n e c t l o n 指令使链路管理器能够利用指令 参数定义的b d创建到蓝牙设备的链接。_ a d d r a c l h c i _ c o m m a n d _ c h a n g e _ c o n n e c t i o n _ p a c k e tt y p e 指令用于改变 正在建立的链接的分组类型。 h c i _ e v e n t _ c o n n e c t _