1 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，尤其是無線技術(shù)廣泛深入到人們生活的各個方面,，使人們的生 活發(fā)生了深刻的變化,。就工業(yè)數(shù)據(jù)采集、測量領(lǐng)域來講,，由于測量種類多,、數(shù)據(jù)量大，且存 在許多條件惡劣,、人們不易到達(dá)或不能時刻停留的地方偶爾采集一些現(xiàn)場數(shù)據(jù),，因而不但需 要花費大量的人力、物力和財力進(jìn)行設(shè)備的維護,，同時給采集帶來很多不必要的麻煩,。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于ARM 的藍(lán)牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。采用嵌入式 操作系統(tǒng)Windows CE,，對通過藍(lán)牙無線傳輸方式集中的傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制,、顯示,、 處理，實現(xiàn)工業(yè)實時數(shù)據(jù)的采集,。ARM 技術(shù)為內(nèi)核的微控制器指令周期短,，處理能力強,， 接口豐富，能成功運行操作系統(tǒng),，為控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)提供了良好的平臺,。同時，它 體積小,，功耗低,，運行性能優(yōu)越，能很好的應(yīng)對于工控應(yīng)用方面,。而藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離,、 低功耗的無線通信技術(shù)，采用跳頻機制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,，故能極大地提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性 能,。對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用而言，兩者的結(jié)合大大簡化了分布采集設(shè)備繁瑣的配置和系統(tǒng) 復(fù)雜度,，且大大降低了功耗和體積,。由其帶來的系統(tǒng)靈活性，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛,。該 系統(tǒng)充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)和藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)勢,，具有一定的實用價值。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于 ARM 的藍(lán)牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于ARM 的數(shù)據(jù)中心,、單片機智能節(jié)點和藍(lán)牙 無線通信鏈路三大部分組成,。數(shù)據(jù)中心，采用基于ARM9 微處理器S3C2410 的硬件平臺,， 運行 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng),，可為操作人員管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)、控制目標(biāo)設(shè)備提供友好,、 方便的用戶接口,；單片機節(jié)點,，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),，通過藍(lán)牙無線通信鏈路接收數(shù)據(jù)中心命 令并將數(shù)據(jù)上傳給數(shù)據(jù)中心；藍(lán)牙無線通信鏈路,，通過在數(shù)據(jù)中心和單片機節(jié)點安裝的藍(lán)牙 模塊實現(xiàn),。考慮到系統(tǒng)的可擴展性,，系統(tǒng)還可以通過RS-232 接口實現(xiàn)ARM 數(shù)據(jù)中心與PC機的數(shù)據(jù)通信,。系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于 ARM 的藍(lán)牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計包含藍(lán)牙模塊天線和外圍電路,、基于 ARM 的數(shù)據(jù)中心,、單片機節(jié)點三個部分?，F(xiàn)在分別對各個主要模塊做簡單介紹。

3.1 藍(lán)牙模塊天線和外圍電路

藍(lán)牙模塊是藍(lán)牙通信的基礎(chǔ),，在此采用嵌入式藍(lán)牙模塊 DFBM-CS120,。它集成了藍(lán)牙 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，對用戶提供全雙工UART 接口和射頻信號輸出,，使用戶能通過UART 控制 模塊操作,，并通過天線將承載數(shù)據(jù)的射頻信號發(fā)射出去。

藍(lán)牙模塊外圍電路設(shè)計主要包括天線設(shè)計,、電源設(shè)計和UART 接口設(shè)計,，如圖2 所示。

其中,，天線的性能好壞直接關(guān)系到整個藍(lán)牙通信系統(tǒng)能否正常傳輸數(shù)據(jù),，必須采用射頻 電路的設(shè)計方法進(jìn)行具有針對性的設(shè)計。在此由于DFBM-CS120 有一個天線管腳Antenna,， 輸出2.402~2.480GHz 射頻信號,，天線管腳的輸出阻抗為50Ω。根據(jù)最大功率傳輸定理,，在 天線管腳上外接阻抗50Ω的AT3216 多層陶瓷天線,。考慮到由于制造參數(shù)與設(shè)計參數(shù)之間的 誤差可能造成的信號衰減,，在模塊的天線管腳和藍(lán)牙天線之間增加了一個由一個電感和兩個 電容組成的π型網(wǎng)絡(luò),，用來放大射頻信號。天線電路框圖如圖3 所示,。

3.2 基于ARM 的數(shù)據(jù)中心

基于 ARM 的數(shù)據(jù)中心的基本要求是體積小巧,、功耗低、界面美觀,、操作方便,、通信功 能強大、系統(tǒng)擴展性好,。具體到硬件上,，對ARM 系統(tǒng)的基本要求是支持Windows CE 操作 系統(tǒng)、支持彩色LCD,、支持觸摸屏,、支持USB、支持以太網(wǎng),、支持藍(lán)牙模塊通信接口,。根 據(jù)要求，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)業(yè)內(nèi)流行的開發(fā)平臺,，在此選擇基于ARM9 處理器S3C2410 的硬 件平臺作為數(shù)據(jù)中心,。將藍(lán)牙模塊作為S3C2410 硬件平臺的一個UART 外設(shè)安裝,，數(shù)據(jù)中 心便具有了藍(lán)牙通信功能。

S3C2410 硬件平臺的設(shè)計分為核心系統(tǒng)設(shè)計和外圍設(shè)計兩大部分,。平臺核心系統(tǒng)包括 CPU,、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平臺的內(nèi)存,，F(xiàn)lash 相當(dāng)于平臺的硬盤,；平臺外設(shè) 包括LCD 和觸摸屏接口電路、以太網(wǎng)控制器,、USB 和UART,。

硬件平臺的整體設(shè)計圖如圖 4 所示。

3.3 單片機節(jié)點

單片機節(jié)點是本系統(tǒng)的底層設(shè)備,，正常工作時作為總控制器,，協(xié)調(diào)控制其他監(jiān)測器件或 模塊工作，完成數(shù)據(jù)采集,、測量,、加工及與數(shù)據(jù)中心的通信、接受命令和數(shù)據(jù)傳送等任務(wù),。 本系統(tǒng)中,，單片機節(jié)點模塊的MPU 采用Winbond W77E58，其串口與藍(lán)牙通信模塊的UART 進(jìn)行通信,。

兼容 8051 內(nèi)核,、片載Flash 很大、具有雙串口是W77E58 的三個突出特點,。前兩點意 味著單片機節(jié)點軟件可以用C51 語言設(shè)計,，不必因為擔(dān)心代碼太大而采用匯編語言；雙串 口意味著可以用一個獨立的串口與PC 機聯(lián)機以調(diào)試編寫的藍(lán)牙通信軟件,，調(diào)試完成后再將 其移植到與藍(lán)牙模塊通信的串口上,，無需為軟件調(diào)試改動任何硬件，大大降低了硬件的復(fù)雜 性,，提高了軟件開發(fā)速度,。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于 ARM 的藍(lán)牙實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)平臺的搭建,；第二部分是基于Windows CE 操作系統(tǒng),，運行于數(shù)據(jù)中心藍(lán)牙 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的設(shè)計,；第三部分是單片機節(jié)點的藍(lán)牙通信軟件的實現(xiàn),。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)的搭建

Windows CE(簡稱WinCE)是當(dāng)今市場上主流嵌入式操作系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的。它是一 個支持多種硬件平臺,、核心代碼開放,、組件可裁剪的32 位實時嵌入式窗口操作系統(tǒng),，具有 可靠性高、實時性好,、模塊化和小內(nèi)存占用,、支持多種無線與有線連接、支持多種硬件平臺,、 支持多種無線與有線連接等特點,，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式智能設(shè)備開發(fā)。

由于嵌入式智能平臺不論是CPU 架構(gòu)還是外圍硬件都是多種多樣的,，移植WinCE 需要 開發(fā)者根據(jù)具體平臺要求對系統(tǒng)進(jìn)行修改和定制,。移植WinCE 操作系統(tǒng)主要有兩部分內(nèi)容： 一是定制BSP 代碼，包括Bootloader,、OAL 以及驅(qū)動程序,；二是運行調(diào)試WinCE 操作系統(tǒng)， 主要是運用開發(fā)工具編譯,、下載,、運行和調(diào)試操作系統(tǒng)映像。

4.2 基于Windows CE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計

由于 DFBM-CS120 藍(lán)牙模塊通過串口進(jìn)行通信,，而WinCE 的驅(qū)動程序己經(jīng)以“文件” 的形式封裝了串口,，開發(fā)者無需編寫操作串口硬件的代碼，所以藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序沒有必要 設(shè)計驅(qū)動程序,，只考慮設(shè)計應(yīng)用程序即可,。 本系統(tǒng)中，基于 WinCE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序采用Embedded Visual C++集成開發(fā)環(huán)境,， 基于MFC 庫,，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法設(shè)計。藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序的主要任務(wù)就是通過串口 發(fā)送和接收數(shù)據(jù),，因此串口編程是設(shè)計藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集程序必須實現(xiàn)的部分,。WinCE 的驅(qū)動 程序己經(jīng)將串口以“文件”形式進(jìn)行了封裝，因此基于WinCE 的串口編程無需編寫直接操 作UART 硬件的代碼,，只要利用WinCE 提供的文件API 函數(shù)就可打開和讀寫串口,。這些 API 函數(shù)分別是：CreateFile、ReadFile 和WriteFile,。

4.3 單片機節(jié)點程序設(shè)計

單片機節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)中心,，程序設(shè)計的重點是實 現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信。單片機程序在Keil μVision2 開發(fā)環(huán)境下,，采用C51 語言編寫,。單片機節(jié) 點程序設(shè)計包括如下幾個部分：1.配置串口；2.根據(jù)串口中斷程序設(shè)計單片機-藍(lán)牙模塊通訊 程序,；3.通信幀格式設(shè)計,。

單片機節(jié)點與數(shù)據(jù)中心建立連接后,，串口中斷程序接收并識別數(shù)據(jù)中心的命令，由于數(shù) 據(jù)和命令是透明傳輸,，單片機節(jié)點和數(shù)據(jù)中心之間必須設(shè)計通信協(xié)議,，規(guī)定命令幀和數(shù)據(jù)幀 的幀頭、幀尾,、幀長,、幀類型、校驗等信息,，二者才能正?；鲾?shù)據(jù)。通信幀格式設(shè)計如下：

5 結(jié)束語

本文將藍(lán)牙通信技術(shù)和 ARM 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集中,，開發(fā)了一套新穎的無 線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)中心、藍(lán)牙通信和單片機節(jié)點三部分,。數(shù)據(jù)中心的硬件,、軟 件功能強大，基于以ARM9 處理器S3C2410 為核心的硬件平臺設(shè)計,，運行 Windows CE 操 作系統(tǒng),，開發(fā)了基于 Windows CE 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。通過數(shù)據(jù)中心和單片機節(jié)點 的藍(lán)牙模塊,，數(shù)據(jù)中心能夠在距離單片機節(jié)點半徑約10 米以內(nèi)的任何位置方便地與智能節(jié) 點交換命令和數(shù)據(jù),，不受傳輸角度和節(jié)點安裝位置的限制。

本文作者創(chuàng)新點：在以 ARM9 芯片為核心的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,，采用藍(lán)牙無線通 信DFBM-CS120 芯片,，實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)信號采集和無線數(shù)據(jù)傳輸。與有線數(shù)據(jù)傳輸相比,，更加方便靈活,，具有較高的可靠性。在軟件設(shè)計上采用Windows CE 實時多任務(wù)系統(tǒng),，實現(xiàn) 了系統(tǒng)初始化,、數(shù)據(jù)采集、無線通信等任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理,。試驗結(jié)果表明,，該系統(tǒng)硬件電 路簡單、可靠性強,，軟件設(shè)計合理,，滿足了實時信號采集和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>