基于ＡＲＭ和藍牙的無線信號采集系統的設計與實現
2008-04-12 00:00:00張虹徐興
現代電子技術 2008年9期
摘 要：以旋轉件的測量為背景，設計研制了一套基于ARM及藍牙技術的無線測試系統。系統以基于CSR BC02的藍牙模塊及基于ARM7的LPC2146微控制器為核心，重點研究了采用HCI UART的藍牙無線通訊方式。實驗結果證明基于HCI的藍牙無線通訊軟硬件工作正常，具備一定的抗干擾能力，滿足實際測試場合的需要。
關鍵詞：藍牙;ARM;無線通訊;數據采集
中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)09-024-02
Design and Realization of Wireless Signal Acquisition System
Based on ARM and Bluetooth Technique
ZHANG Hong，XU Xing
(Instrumentation Science Optoelectronics Engineering Department，Beihang University，Beijing，100083，China)
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.
Keywords：bluetooth;ARM;wireless communication;digital acquisition
1 引 言
無線測試技術在工業領域有廣泛的應用前景。在連線復雜并需要反復拆裝被測設備和測試設備之間連線的場合，使用無線可以降低工作的復雜程度，節約大量的時間，提高測試環節的工作效率，尤其在有時間限制時其優越性更加明顯。此外在不適宜連線的場合，如港口、碼頭、江河湖壩、野外勘測、石油勘探中油井深處環境參數的測量，使用無線測量具有有線測量無法比擬的優越性 [1]。
對于近距離的無線傳輸，藍牙由于采用快速跳頻技術，確保了鏈路的穩定，同時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測試環境中，由于無線傳輸的是數字量，因此在通常情況下沒有傳輸誤差，不會影響到系統的準確度，并且可以單芯片實現，體積功耗都能達到很小的水平。
本文針對無線信號測試，提出一種基于ARM和藍牙的無線信號采集系統的設計與實現。
2 芯片選擇
2.1 藍牙模塊的選擇
采集模塊使用的藍牙芯片是已經商品化的藍牙模塊，其核心是主流的CSR 的BlueCore02-External藍牙芯片，他與外圍器件一起構成藍牙模塊，如圖1所示\\[2\\]。電壓調整電路提供藍牙模塊所需的33 V和18 V電壓，閃存用于存儲藍牙固件和配置參數。藍牙主機可通過各種接口(SPI，UART，USB等)實現與藍牙模塊的通信\\[1\\]。
圖1 藍牙模塊的結構組成
2.2 微處理器的選擇
微處理器主要負責對采樣的控制，對信號調理芯片的進行編程與控制，與藍牙模塊的通信。由于采用了寄居式的藍牙模型，所以微處理器通過HCI (Host Control Interface)接口與藍牙模塊通信，包括將采集的數據按照藍牙協議規定的數據格式打包發送給藍牙模塊，解讀從上位機發送過來的控制命令，控制系統的采集動作以及藍牙模塊的工作方式。
基于ARM核心的微處理器具有運算速度快，體積小，功耗低，外圍接口資源豐富等優點，使用基于ARM7TDMI-S核心的Philips LPC2146微控制器\\[2\\]。
3 硬件設計
系統硬件分為采集模塊與接收模塊兩部分：
(1) 采集模塊：為8通道數據采集系統，8路傳感器信號經過放大與調理后，均變為0~3 V的標準模擬電壓信號，分別連接到LPC2146的AD1.0~AD1.7管腳。LPC2146片內的ADC是一個分辨率為10位，轉換速率為400 ks/s的逐次逼近型ADC，支持8路復用的輸入信號。LPC2146對8路信號進行輪流采樣，數字化。由于LPC2146內部的ADC不提供轉換時的電壓基準，故使用了LT1461A3這一+3 V的精密電壓基準。
(2) 接收模塊：接收模塊同樣以CSR BC02藍牙模塊為核心，與采集模塊進行藍牙ACL (Access Control List)
數據通信。BC02芯片通過MAX3232電平轉換芯片與PC機串口進行數據收發。
3.1 信號采集模塊
CSR BlueCore02藍牙模塊具有HCI UART與HCI USB傳輸層。本課題采用了編程較為簡單HCI UART接口與微控制器LPC2146連接。
藍牙模塊與ARM的硬件連接如圖2所示。由于藍牙模塊和ARM都采用+33 V電源供電，故其接口間不存在電平差異，不需要電平轉換。藍牙模塊UART接口的發送端UART[CD#*2]TX接LPC2146的UART0接收端RXD0，而藍牙模塊的UART接口的接收端UART[CD#*2]RX接LPC2146的UART0發送端TXD0。
圖2 藍牙模塊與ARM的硬件連接
藍牙模塊的復位電路有上電復位，手動復位和LPC2146控制復位三種復位功能。在RST腳上的高電平持續時間大于5 ms時，藍牙模塊將被復位。
圖2中C1和R3組成上電復位電路；S1為長開按鈕，當S1按下時，實現手動復位；LPC2146的P0.16腳(BTRST)也可以通過D1二極管復位藍牙模塊。
3.2 藍牙接收模塊
接收模塊與監控PC機連接，用來接收從采集模塊發送過來的藍牙ACL數據包，并將之傳送到PC。藍牙模塊與PC機的通信是基于HCI RS 232接口，使用了一片電平轉換芯片MAX3232將TTL電平轉換成RS 232電平，實現了利用PC機串口與藍牙模塊通信，進行數據收發的功能，如圖3所示\\[2\\]。
圖3 藍牙模塊與PC的接口示意圖
PC機與藍牙模塊的接口使用了硬件流控，如圖4所示。
圖4 藍牙模塊與PC接口圖
值得注意的是，PC機主板內置的RS 232接口能達到的波特率最大僅為1152 kb/s，遠遠低于藍牙模塊ACL連接的最大通信速率721 kb/s。為了避免RS 232接口成為數據采集系統的數據傳輸瓶頸，使用了一塊PCI-RS 232的接口卡，其波特率可以達到1 Mb/s。
另外，RS 232接口的波特率也受其傳輸距離的制約。經過實驗反復驗證，最終接收端藍牙HCI UART傳輸層能在4608 kb/s的波特率下正常的收發數據。
3.3 硬件抗干擾措施
在此系統中，諸如ARM，信號調理芯片，藍牙模塊都是易受干擾的元器件，因此抗干擾技術是系統設計中需要重點考慮的問題。在硬件的設計時，主要采取了如下措施來加強整個測試系統的抗干擾能力：
(1) 對電路板采用了電池供電。采用42 V的鋰電池供電，可以提供相對穩定的電壓和純凈的電流。相對于其他采用金屬滑環或者旋轉變壓器供電的方案，電池供電消除了這兩種方式帶來的交流噪聲及電源波動。
(2) 對ARM處理器加入了電源監控芯片MAX823及看[CM(21*2]門狗電路。當電源的波動超過安全閾值時(36~29 V)，MAX823將產生一個Reset信號，對微處理器進行復位。
4 結 語
本課題基于藍牙技術的無線測試系統正是近距離無線通信技術在測試領域的應用。該無線測試系統采樣通道數多，體積小，功耗低，具有多種節能模式，安裝簡便，兼具有信號調理和信號遙傳的功能，不但可以應用于旋轉機械(如航空發動機葉片，汽車轉動軸)的參數采集，也可以應用在其他高速或低速的旋轉機械的工作狀態監測和故障診斷系統中，具有廣闊的應用范圍和良好的應用前景。
參 考 文 獻
［1］胡欽.旋轉件無線測試系統研制\\[D\\].北京:北京航空航天大學，2007.
［2］鄭新華.藍牙無線測試系統研究\\[D\\].北京:北京航空航天大學，2005.
［3］李義軍.BlueCore2型模塊及其HCI傳輸驅動的實現\\[J\\].國外電子元器件，2006(3):60-62.
作者簡介 張 虹 女，1983年出生，碩士。主要研究方向為數據采集處理。
注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
