基于ARM 的蓝牙实时数据采集系统

2021-12-2 16:18

1 引言
随着计算机技术的发展，尤其是无线技术广泛深入到人们生活的各个方面，使人们的生活发生了深刻的变化。就工业数据采集、测量领域来讲，由于测量种类多、数据量大，且存在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，因而不但需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，同时给采集带来很多不必要的麻烦。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于ARM 的蓝牙实时数据采集系统。采用嵌入式 操作系统Windows CE，对通过蓝牙无线传输方式集中的传感器采集数据，进行控制、显示、处理，实现工业实时数据的采集。ARM 技术为内核的微控制器指令周期短，处理能力强，接口丰富，能成功运行操作系统，为控制系统的应用程序开发提供了良好的平台。同时，它体积小，功耗低，运行性能优越，能很好的应对于工控应用方面。而蓝牙技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，采用跳频机制进行数据传送，故能极大地提高数据传送的抗干扰性能。对于数据采集系统的应用而言，两者的结合大大简化了分布采集设备繁琐的配置和系统复杂度，且大大降低了功耗和体积。由其带来的系统灵活性，使得系统的应用更加广泛。该系统充分体现了嵌入式系统和蓝牙技术的优势，具有一定的实用价值。

2 系统总体设计
基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统由基于ARM 的数据中心、单片机智能节点和蓝牙无线通信链路三大部分组成。数据中心，采用基于ARM9 微处理器S3C2410 的硬件平台，运行 Windows CE 嵌入式操作系统，可为操作人员管理现场数据、控制目标设备提供友好、方便的用户接口；单片机节点，负责采集现场数据，通过蓝牙无线通信链路接收数据中心命令并将数据上传给数据中心；蓝牙无线通信链路，通过在数据中心和单片机节点安装的蓝牙模块实现。考虑到系统的可扩展性，系统还可以通过RS-232 接口实现ARM 数据中心与PC机的数据通信。系统总体构成如图1 所示。

3 系统硬件设计
基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的硬件设计包含蓝牙模块天线和外围电路、基于 ARM 的数据中心、单片机节点三个部分。现在分别对各个主要模块做简单介绍。

3.1 蓝牙模块天线和外围电路
蓝牙模块是蓝牙通信的基础，在此采用嵌入式蓝牙模块 DFBM-Cs120。它集成了蓝牙标准通信协议，对用户提供全双工UART 接口和射频信号输出，使用户能通过UART 控制模块操作，并通过天线将承载数据的射频信号发射出去。

蓝牙模块外围电路设计主要包括天线设计、电源设计和UART 接口设计，如图2 所示。

其中，天线的性能好坏直接关系到整个蓝牙通信系统能否正常传输数据，必须采用射频电路的设计方法进行具有针对性的设计。在此由于DFBM-CS120 有一个天线管脚Antenna，输出2.402~2.480GHz 射频信号，天线管脚的输出阻抗为50Ω。根据最大功率传输定理，在天线管脚上外接阻抗50Ω的AT3216 多层陶瓷天线。考虑到由于制造参数与设计参数之间的误差可能造成的信号衰减，在模块的天线管脚和蓝牙天线之间增加了一个由一个电感和两个电容组成的π型网络，用来放大射频信号。天线电路框图如图3 所示。

3.2 基于ARM 的数据中心
基于 ARM 的数据中心的基本要求是体积小巧、功耗低、界面美观、操作方便、通信功能强大、系统扩展性好。具体到硬件上，对ARM 系统的基本要求是支持Windows CE 操作系统、支持彩色LCD、支持触摸屏、支持USB、支持以太网、支持蓝牙模块通信接口。根据要求，结合嵌入式系统业内流行的开发平台，在此选择基于ARM9 处理器S3C2410 的硬件平台作为数据中心。将蓝牙模块作为S3C2410 硬件平台的一个UART 外设安装，数据中心便具有了蓝牙通信功能。

S3C2410 硬件平台的设计分为核心系统设计和外围设计两大部分。平台核心系统包括 CPU、SDRAM 和Flash，其中SDRAM 是平台的内存，Flash 相当于平台的硬盘；平台外设包括LCD 和触摸屏接口电路、以太网控制器、USB 和UART。
硬件平台的整体设计图如图 4 所示。

3.3 单片机节点
单片机节点是本系统的底层设备，正常工作时作为总控制器，协调控制其他监测器件或模块工作，完成数据采集、测量、加工及与数据中心的通信、接受命令和数据传送等任务。本系统中，单片机节点模块的MPU 采用Winbond W77E58，其串口与蓝牙通信模块的UART 进行通信。

兼容 8051 内核、片载Flash 很大、具有双串口是W77E58 的三个突出特点。前两点意味着单片机节点软件可以用C51 语言设计，不必因为担心代码太大而采用汇编语言；双串口意味着可以用一个独立的串口与PC 机联机以调试编写的蓝牙通信软件，调试完成后再将其移植到与蓝牙模块通信的串口上，无需为软件调试改动任何硬件，大大降低了硬件的复杂性，提高了软件开发速度。

4 系统软件设计
基于 ARM 的蓝牙实时数据采集系统的软件设计包含三部分。第一部分是Windows CE 嵌入式操作系统平台的搭建；第二部分是基于Windows CE 操作系统，运行于数据中心蓝牙数据采集应用程序的设计；第三部分是单片机节点的蓝牙通信软件的实现。

4.1 Windows CE 嵌入式操作系统的搭建
Windows CE(简称WinCE)是当今市场上主流嵌入式操作系统中应用最广泛的。它是一个支持多种硬件平台、核心代码开放、组件可裁剪的32 位实时嵌入式窗口操作系统，具有可靠性高、实时性好、模块化和小内存占用、支持多种无线与有线连接、支持多种硬件平台、支持多种无线与有线连接等特点，广泛应用于各种嵌入式智能设备开发。

由于嵌入式智能平台不论是CPU 架构还是外围硬件都是多种多样的，移植WinCE 需要开发者根据具体平台要求对系统进行修改和定制。移植WinCE 操作系统主要有两部分内容：一是定制BSP 代码，包括Bootloader、OAL 以及驱动程序；二是运行调试WinCE 操作系统，主要是运用开发工具编译、下载、运行和调试操作系统映像。

4.2 基于Windows CE 的蓝牙数据采集程序的设计
由于 DFBM-CS120 蓝牙模块通过串口进行通信，而WinCE 的驱动程序己经以“文件” 的形式封装了串口，开发者无需编写操作串口硬件的代码，所以蓝牙数据采集程序没有必要设计驱动程序，只考虑设计应用程序即可。本系统中，基于 WinCE 的蓝牙数据采集程序采用Embedded Visual C++集成开发环境，基于MFC 库，采用面向对象的设计方法设计。蓝牙数据采集程序的主要任务就是通过串口发送和接收数据，因此串口编程是设计蓝牙数据采集程序必须实现的部分。WinCE 的驱动程序己经将串口以“文件”形式进行了封装，因此基于WinCE 的串口编程无需编写直接操作UART 硬件的代码，只要利用WinCE 提供的文件API 函数就可打开和读写串口。这些 API 函数分别是：CreateFile、ReadFile 和WriteFile。

4.3 单片机节点程序设计
单片机节点负责采集数据并把数据通过蓝牙模块发送给数据中心，程序设计的重点是实现蓝牙数据通信。单片机程序在Keil μVision2 开发环境下，采用C51 语言编写。单片机节点程序设计包括如下几个部分：
1.配置串口；
2.根据串口中断程序设计单片机-蓝牙模块通讯程序；
3.通信帧格式设计。

单片机节点与数据中心建立连接后，串口中断程序接收并识别数据中心的命令，由于数据和命令是透明传输，单片机节点和数据中心之间必须设计通信协议，规定命令帧和数据帧的帧头、帧尾、帧长、帧类型、校验等信息，二者才能正常互传数据。通信帧格式设计如下：

5 结束语
本文将蓝牙通信技术和 ARM 嵌入式系统应用于工业数据采集中，开发了一套新颖的无线数据采集系统。系统包括数据中心、蓝牙通信和单片机节点三部分。数据中心的硬件、软件功能强大，基于以ARM9 处理器S3C2410 为核心的硬件平台设计，运行 Windows CE 操作系统，开发了基于 Windows CE 的蓝牙数据采集应用程序。通过数据中心和单片机节点的蓝牙模块，数据中心能够在距离单片机节点半径约10 米以内的任何位置方便地与智能节点交换命令和数据，不受传输角度和节点安装位置的限制。

本文作者创新点：在以 ARM9 芯片为核心的嵌入式数据采集系统中，采用蓝牙无线通信DFBM-CS120 芯片，实现高速实时数据信号采集和无线数据传输。与有线数据传输相比，更加方便灵活，具有较高的可靠性。在软件设计上采用Windows CE 实时多任务系统，实现了系统初始化、数据采集、无线通信等任务进行调度和管理。试验结果表明，该系统硬件电路简单、可靠性强，软件设计合理，满足了实时信号采集和无线数据传输的要求。