基于蓝牙技术的数据无线传输实验系统设计与实现

中心议题
    * 介绍了基于蓝牙技术的数据无线传输
    * 给出了实验系统的设计与实现
解决方案
    * 信号调理、数据采集、存储
    * 蓝牙模块进行这些信息的发送与接收

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定和移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术,使家庭或办公场所的移动电话、便携式计算机、打印机、复印机、键盘、耳机及其它手持设备实现无线互连互通。鉴于此,本文结合具体温度、压力、磁测量等传感器为研究对象,基于蓝牙技术设计一套以研究无线数据传输技术为主要内容的实验系统。

1　系统整体构架设计

1.1　系统整体功能分析

系统传感器部分主要包括:温度传感器、压力传感器和霍尔传感器。温度传感器主要采用热电偶对电加热炉进行温度测量;压力传感器采用应变电阻对应力进行测量;霍尔传感器主要对有缺陷的管道的漏磁信号进行测量。

信号调理模块主要包括:直流和交流电桥、测量放大电路、滤波电路、振荡电路和相敏检波电路。各部分电路参数可调,并且可通过适当的电路选择和连接,完成对上述传感器信号的调理。信号调理模块输出为标准电压信号,电压范围-5~+5V,极性可以是单极性或双极性。

各路传感器的检测信号经信号调理后输出标准电压电流信号,经过数据采集后,进行存储。蓝牙数据发送器将这些数据和状态信息以无线的方式发射出去。蓝牙数据接收器收到无线信息后,对数据进行编码,整定成HCI数据包格式,并通过RS-232串口放送给PC机,由PC机完成数据的显示、分析和处理。系统软件采用VB进行编程,软件基本功能包括数据处理、数据显示、数据存储、参数设置。

2　关键技术介绍

2.1　数据采集与存储电路设计

前端各种传感器输出的信号经过调理放大电路后,变成系统可以采集的信号(-5~+5V)。故数据采集系统只需针对标准的信号进行采集。

(1)数据采集关键部件的选择

根据前端传感器的要求,系统的采样通道选为60通道,采样速率为1KHz/min(一个循环)。采样精度为1mv,输入电压的极性为单极性和双极性两种。选择模数转换器为TI公司的TLV2556和ADS7844。前者是TI公司推出一款的高性能、宽电压、低功耗12位精度的AD转换器;后者是TI公司的一款高性能、宽电压、低功耗的12位串行SPI模数转换器。

(2)数据存储关键部件的选择

根据系统的要求:将十分钟之内采集的数据存储到外扩的存储器中,以保证系统可以每十分钟将数据向外发送一次。故满足系统要求的最小存储容量应为:M(B)=60s/min×1000Hz×2Bytes×10min=20000B=20KB,故存储器的容量应大于或等于20KB。

系统中选用的存储器为ST公司的串行Flash存储器M45PE16。M45PE16是ST公司推出一块低电压、低功耗的串行Flash存储器,其与控制器的接口方式为SPI方式,具有16Mbit页可擦除能力和64KB的硬件写保护、数字签名等功能。最大存储时间为20年,最大可写入次数为1000000次。

控制器选用TI公司的16位单片机MSP430F1611。MSP430F1611是16位精简指令集的超低功耗单片机,自带48KB的Flash和10RAM。其工作电压为1. 8V到3. 6V,具有12位AD(6通道,最大采样速率为200KSPS)和12位双通道DA以及3通道的DMA控制器。设计的数据采集与存储电路见图1。

 (3)数据采集与存储数据流设计

系统采集存储部分数据流方式为:模数转换器与单片机之间通过SPI总线将采集的数据传递给单片机, DMA控制器将数据通过SPI总线传递给M45PE16存储器进行存储。其流程图见图2。

2.2　数据无线传输与接收模块设计

(1)数据无线传输与接收芯片的选择

本系统选用ROK101008型蓝牙芯片。该芯片是一款符合蓝牙规范1. 0B的点对点通信模块。包括三个部分:基带控制芯片、Flash存储器和Radio芯片。工作在2. 4GHz到2. 5GHz的ISM频段,支持语音和数据的传输。

(2)数据无线传输与接收模块工作过程

系统的数据无线传输部分由控制器MSP430F1611、发射机和电源管理组成。发射机由蓝牙模块ROK101008和2. 4GHz的50Ω天线组成。

数据无线传输与接收工作过程为:在初始化阶段,蓝牙模块通过UAR接口接收到控制器MSP430F1611发送的HCI命令,实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、调频算法、自动寻呼等初始化操作,与接收部分的蓝牙模块建立可靠的物理链路,并对物理链路进行相应的加密。在数据传送阶段,蓝牙模块接收到HCI数据包,经过模块中HCI固件(HCIFirmwire)转化为基带数据包并送给基带协议层进行处理,基带控制器对上层送来的数据进行解码,将其变换为可以发送的位数据流,按照设定的调频算法,采用高斯频移键控(GFSK)编码方式通过天线发送出去。接收数据时,以上述过程的相反过程将接受的数据进行编码,整定成HCI数据包格式并通过RS-232串口放送给PC机。

蓝牙与主机通过指令-应答方式实现控制。主机向蓝牙发送指令分组,蓝牙执行完指令之后,通常会返回给主机一个指令完成事件分组,该分组携带有指令完成信息;对于某些分组,不返回指令完成事件分组,但返回指令状态事件分组,用以说明主机发出的指令已经被蓝牙接收并开始处理了;如果指令出错,返回的指令状态事件分组就会指示相应的错误代码。

主机和蓝牙通过RS-232和UAR接口进行通信的流程主要包括:蓝牙模块自身的初始化、HCI流量控制设置、查询、建立连接、进行数据通信和断开连接。

3　开放式实验环节的设计

3.1　传感器基本实验

传感器是测试系统中重要一环。在这一部分学生可以完成以下实验内容:

(1)热电偶传感器实验:热电效应演示实验、热电偶测温实验、热电偶标定实验;

(2)应变电阻传感器实验:应变电阻在直流单臂电桥、半桥和全桥的工作特性测试实验、应变电阻温度补偿实验;

(3)霍尔传感器实验:霍尔传感器直流激励特性实验、霍尔传感器交流激励特性实验。

上述实验主要硬件设备包括:传感器、信号调理单元。

3.2　数据无线传输与接收基本实验

数据无线传输技术是本实验系统的主要研究对象,在这一部分学生可以完成以下实验内容:

(1)数据无线传输与接收认知实验:通过该实验内容,学生可以直观了解基于蓝牙芯片的数据无线传输与接收基本工作原理、组成和电路结构;

(2)数据无线传输与接收设计实验:通过这部分实验内容,学生可以掌握蓝牙芯片的基本设计方法,具体内容包括:蓝牙模块初始化程序设计实验、流量控制设置指令设计实验、多种蓝牙设备查询实验、数据传输设计实验。

上述实验主要硬件设备包括:数据采集存储实验板、数据无线传输实验板。

3.3　传感器信号调理电路综合实验

这一部分主要考查学生对整个系统地掌握情况,和对测试技术知识的综合运用能力,设计的实验内容如下:

(1)基于计算机数据采集的热电偶传感器测温实验:要求学生以热电偶传感器测温为主要研究内容,运用相关的信号调理电路知识、数据无线传输知识和计算机数据处理技术,设计一套基于计算机的温度测量系统;

(2)基于计算机数据采集的应变电阻测量实验:要求学生以应变电阻测梁的应变为主要研究内容,运用相关的信号调理电路知识、数据无线传输知识和计算机数据处理技术,设计一套基于计算机的测量系统;

(3)基于计算机数据采集的霍尔传感器管道缺陷测量实验:要求学生在分析管道缺陷与漏磁场关系基础上,运用相关的霍尔传感器和信号调理电路知识、数据无线传输知识和计算机数据处理技术,设计一套基于计算机的管道缺陷测量测量系统。