蓝牙技术在数据采集系统中的应用

0引言

人们使用的电子设备越来越多，随着电子设备间信息交换的增多，电缆的连接缠绕也变得非常杂乱。为了省去电缆，简化设备间的连接，需要设计一种技术除去“最后”的连接。1994年，瑞典爱立信公司移动通信部在一项被称为“多通信链路(Multi-CommunicatorLink)”MCLink的课题研究中，工程师们发现了不经许可就可以使用的低频无线波段，研制了一种小的无线收发器芯片，使用无线电射频技术实现了移动电话与周围器件之间低成本、低功耗的无线互连，他们将这种互连的技术规范命名为蓝牙（Bluetooth）。

在测控系统中，传感器作为信息采集必不可少的装置，实现其网络化是当前的热点研究问题。当前大多数测控系统中，传感器多是采用有线方式，但是在一些特殊情况下，有线线缆连接显然会造成很多不便，不能够满足现实需要。随着新兴无线技术(如蓝牙技术)的发展以及其芯片价格的降低，无线方式在很多场合都得到应用以取代原有的有线接口方式。无线网络化传感器势必成为传感器发展的一个重要方向。

1蓝牙技术概念

蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化这些设备与Internet的通信，使这些现代通信设备与因特网的数据传输变得更加迅速高效。作为一种新技术，蓝牙的主要优点是：可以方便地建立无线连接，代替传统的有线电缆连接；移植性较强，适用面广；安全性较高且每一台蓝牙设备的地址全球唯一；支持微微网与分散网等组网工作模式，应用范围广阔；此外，蓝牙设备功耗低，成本也较低，与其他通信设备相比，设计开发较为容易。

2蓝牙技术特点

蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备接口提供了统一的连接。它具有许多优越的技术性能，以下介绍一些主要的技术特点。2.1射频特性

蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz的ISM（工

业、科学、医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制方式为BT=0.5的GFSK，调制指数为0.28～0.35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在4～20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。2.2TDMA结构

蓝牙的数据传输率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0.625μs。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持64KB/S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB/S，反向应答速度为57.6KB/s的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S的对称连接。

2.3使用跳频技术

跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为3200跳/秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。

2.4蓝牙设备的组网

蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效通讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工作方式。基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络（Piconet）和分散网络（Scatternet）中，既可作主设备（Master），又可作从设备(Slaver)，还可同时既是主设备（Master），又是从设备(Slaver)。因此在蓝牙系统中没有从站的概念，另外所有的设备都是可移动的，组网十分方便。

2.5软件的层次结构

和许多通讯系统一样，蓝牙的通讯协议采用层次式结构，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口HCI（HostControlInterface）实现高、低层的连接。

手持数据采集器后者则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通讯协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来十分方便。

3基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器

3.1IEEE1451.2标准

IEEE1451.2作为智能传感器接口模块标准，它提供了将传感器和变送器实现网络化的接口标准，采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接

口，将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器——传感器电子数据表(TEDS，transducerelectronicdatasheet)与标准规定的处理器目标模型——网络适配器(NCAP，networkcapableapplicationprocess)连接，如此，数据可以按网络规定的协议连接入网络。该标准的结构模型提供了一个连接智能变送器接口模型(STIM，smarttransducerinterfacemodule)和NCAP的10线标准接口——变送独立接口(TII，transducerindependenceinterface)。其工作流程是敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及相应数据处理(滤波、校准)后，由网络处理装置根据程序设定和网络协议(TCP/IP)将其封装成数据帧，通过网络接口传到网络上。3.2传感器结构模型

图1蓝牙模块高级功能组件基于IEEE1451.2的有线网络化传感器结构模型包含STIM、TII和NCAP三部分。而本设计的基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器，采用蓝牙模块替代TII实现无线连接，类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式，它们以点对多点方式在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。STIM通过无线的NCAP接入以太网(Ethernet)或Internet，同时NCAP通过分配的IP地址与网络相连，如图1所示。与典型的有线方式相比，上述无线网络模型增加了两个蓝牙模块，对于蓝牙模块部分，标准的蓝牙对外接口电路一般使用RS232或USB接口，而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口，因此必须设计一个类似于TII接口的蓝牙电路，构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到蓝牙主控制接口(HCI，hostcontrolinterface)的功能。硬件实现上可以采用接口模块，软件实现上可以采用标准的STIM软件模块:STIM模块、STIM传感器接口模块、TII模块、TEDS模块以及地址和函数模块。

4蓝牙芯片在多点温度数据采集系统中的应用

4.1nRF401芯片简介

采用蓝牙射频技术的双工一体化集成芯片nRF40X系列具有极好的性价比。nRF401是采用时分复用双工技术的用于无线数传方面的射频收发一体化集成芯片，内部具有两个通信信道，工作于ISM(Industrial，Scientific，Medical)频段中的433/434MHz公用信道，因此使用时无需申请许可证。nRF401将很多功能和外围部件及有关协议集成在芯片内部，采用的是频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)调制方式，具有直接进行数据输入输出的功能，是目前惟一一个可以直接与单片机串口连接进行数据传送的无线收发射频芯片，经RS-232电平转换后也可直接与计算机串口相连接。

4.2nRF401芯片的主要技术特点及性能指标

nRF401芯片中包括高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换。nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计。nRF401的应用电路原理图见图2。

图2nRF401的应用电路原理图4．3系统组成

系统由中央控制器与各个温度检测器组成，中央控制器与各温度检测器之间通过nRF401进行通信，其系统框图如图3所示。中央控制器能实现对各个温度检测器的数据传输及显示。

图3系统框图各个温度检测器可以检测并显示测量温度，检测的温度范围为0～500℃，检测分辨率为±011℃；各检测器与中央控制器之间实现无线数据传输。4.4温度检测器的设计及与nRF401的接口

各个温度数据采集器以MSP430F1222单片机为核心，利用芯片内置的比较器完成高精度A/D信号采样，并自带看门狗定时器，具有3个捕获/比较寄存器和PWM输出，22个I/O口(14个具有中断功能)，通用串行USART模块[6]，性能可靠。系统特点为内置比较器完成高精度A/D转换，测量温度可达0.1℃；芯片内部Flash保存数据和有用信息；串行通讯接口可以与nRF401进行连接。

温度采集直接关系到系统性能。MSP430F1222的ADC10的核心是带采样和保持的10位模数转换器内核，其输入为12选1的模拟多路器，转换所需的参考电压可由内部发生也可外接，转换所需的时序有多种选择。ADC10能够转换8个输入或4个内部电压。这4个内部通道用于测量温度(经过芯片上的温度二极管)、Vcc(经过Vcc/2)和应用正的或负的参考电压VeREF+和VREF-/VeREF-。ADC能够使用内部或外部或两者联合的参考电压，有通用的采样和保持电路。一个采样周期占4个ADC10CLKs周期，能由软件(ADC10SC)触发。因为有采样定时器，用户有几个ADC10转换器时钟可以选择，其转换时钟可以是A2CLK，MCLK或SMCLK，或者将ADC10外围的振荡器分频并进行选择。被选择的时钟源可以1～8分频。各温度检测器的结构框图如图4所示。

图4温度检测器结构框图通过MSP430F1222的P3.0口控制PWRËUP，PWRËUP=“1”表示进入正常工作模式，PWRËUP=“0”表示进入接收待机模式；P3.1接nRF401的CS，进行发送和接收频率选择，CS=“1”表示中心频率为434132MHz，CS=“0”表示中心频率为433192MHz；P3.2控制nRF401TXEN端，TXEN=“1”表示进入发送模式，TX2EN=“0”表示进入接收模式。硬件接口如图5。

图5MSP430F1222与nFR401接口图5蓝牙技术的应用

5.1蓝牙技术在飞行控制系统中应用

三轴仿真转台是无人机飞行控制系统进行地面仿真试验中的一个重要设备，用来模拟飞机在空中的姿态和运动。随着无人机任务复杂性的提高，仿真时三轴转台框架的偏转角可能超过360°，甚至超过720°，采用线缆或导电滑环的信号传输方式，则存在线路缠绕或滑环干扰等缺点。此外，仿真系统中还需连接大量地面设备，常需专做仿真电缆。采用蓝牙无线技术将能有效地解决仿真试验中的数据传输问题，并使转台的设计变得简单。5.1.1仿真系统结构

图6无人机地面半实物仿真系统组成框图无人机飞行控制地面含实物仿真系统结构组成如图1所示，三轴转台框架作六自由度运动，安装于转台上的传感器(如陀螺、磁力计等)如同安装在飞机上一样敏感其姿态和运动，其输出信号通过蓝牙终端无线传输到飞控计算机，飞行控制软件根据传感器信息及任务规划控制各舵面，而仿真计算机根据各舵机输出和当前状态，经飞机模型解算，得到下一组运动参数，驱动三轴仿真转台运动，从而构成一个闭环系统。本文根据目前作为姿态传感器的总体情况，设计了基于蓝牙技术的RS232无线传输电路和四通道12位±10V电压范围的A/D、D/A的模拟量传输电路。采用蓝牙适配器来替代传统的信号传输方式，消除设备间繁琐

连线或导电滑环。它支持点对点或点对多点的连接，也可以与其他符合蓝牙规范的设备建立连接并进行数据交换。

5.1.2蓝牙适配器硬件实现

模拟式传感器增加蓝牙无线传输接口，并能应用于无人机飞行控制的地面仿真试验，对其主要要求是:在满足信号传输实时性及精度的前提下，应具有体积小、安装方便等特点。适配器设计思想:

(1)采用8位单片机配以A/D、D/A集成芯片，提高可靠性、安全性和性价比。

(2)适配器替代原有传输线路，增加了延时，在方案设计中应体现减少延时影响的思想。

(3)根据半实物仿真系统特点与要求，采用蓝牙点对点通信，同时兼顾点对多点的场合，多个无线传感器可以组成无线网络，同上位机一起构成无线接入系统。

5.1.3模拟输入适配器设计方案

模拟输入适配器将模拟信号转换为数字信号，并进行无线传输。如图2所示，该模拟输入蓝牙适配器设计方案中，单片机TXD、RXD引脚与蓝牙模块RXD、TXD相连。蓝牙无线通信的有关协议均在蓝牙模块中实现，单片机作为蓝牙模块的主机使用，负责数据采集、处理及以及与UART通信。

图7模拟/数字蓝牙适配器设计框图5.2

蓝牙技术在传输GPS数据上应用

目前,在利用GPS采集地理信息时,传统接收机与个人数字助理PDA(PersonalDigitalAssistant)的通信,大多采用电缆连接的串行端口方式来实现。但是在野外测量时,这种有线通信方式十分不方便。为了摆脱冗长的数据线,采用了蓝牙的无线方式。5.2.1传输原理

蓝牙技术是一种点到多点的短程无线声音及数据传输技术,使用2.4GHz。传输范围从10cm到10m,如果增加传输动力,传输范围可达100m。其主要优势是:支持多种设备、可穿过墙壁和公文包传输数据、全方向传输、内置安全性。由于体积小和功耗低,其几乎可以被集成到任何数字设备中,特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。这种通信方式完全适合于带有蓝牙模块GPS接收机与PDA之间进行数据通信,利用蓝牙技术实现GPS原始数据的无线传输和记录,并通过进一步与基准站观测值进行事后差分处理,在较好的观测条

件下,GPS动态定位精度可达到亚米级,精度能满足1∶1万比例尺测图及国土资源调查的要求。

5.2.2实例分析

根据上述原理,开发了GPS数据采集的程序。程序是在VS2005下开发的,再移到PDA上运行。采用蓝牙虚拟串口技术,连接GPS接收机和PDA成功后,PDA向接收机发送指令,将GPS接收机向外发送的数据,由虚拟串口传输到PDA上,再将接收到的数据经过格式转换提取进行实时显示,同时存储GPS原始数据。手持终端在原始数据转换成标准的Rinex文件后,便可以对其进行差分处理等。GPS接收机只要工作就会源源不断地向外发送数据,所以程序运行后读线程函数开始检测,只要读缓冲区内有数据,则启动读线程,进行读取操作。试验采用的是TOPCON的JAVAD接收机,HPiPAQ2910型号PDA,程序在PDA上执行,采集得到的.jps格式原始文件。根据原始文件的格式说明,对某些感兴趣的信息,如经纬度等进行实时解码,显示在界面上。PDA数据采集界面如图8所示,其中图8(a)为数据采集的主界面,图8(b)为以时间命名新的文件存储接收到的数据,并且可以设置波特率。

因采集回来的数据无法识别并直接利用二进制的原始数据,故根据JAVAD接收机的特有格式,进行了数据解码,解码成标准的Rinex文件存储。这样便可以采用基线解算软件或者差分软件进行处理,得到更精确的结果。

图8PDA数据采集界面5.3

蓝牙技术在武器装备故障的监测与诊断的应用在军事领域应用蓝牙技术，可以实现军事设备之间的信息传输无线联网，提高通信的灵活性、实时性和安全性，从而带来巨大的军事和经济效益。

随着当今时代信息化步伐的加快，武器装备的高技术含量不断提升，电子技术在武器装备上的应用也日益广泛，而武器装备的故障检修也成了军队建设发展所关注的一个重要问题。传统的检测方式需要大量的电缆、电线，检测费时、费工，需要大量的人力物力。将蓝牙内嵌式模块嵌入到武器装备内部，获取各传感器监测到的电气参数和故障状态代码，使各种检测仪器能更方便快捷地进行探测，突破原有的手工监测方式，具有简捷、实时、准确等优越性，极大地提高作战环境下装备检测维修效率。其应用电路的结构如图9和图10所示。在图9中，武器装备电气状态监测电路发送端全部植入到武器装备内部，电气状态采集模块是借助相关功能的传感器或电压计、电流计等敏感元件获取武器装备内部的电气状态的模拟量大小(通常为电压或电流值)，通过A／D转换模块得到相应的数字

量，再经过运算单元的综合运算集成为数据包并通过蓝牙模块传输出去。在图10中，电路的接收与处理端即为便携式微型故障诊断仪，可在一定距离范围内对待检武器装备进行监测与故障诊断。通过蓝牙模块接收到电气状态数据包，由故障诊断处理机及其诊断软件完成监测与故障诊断工作，必要时，还可接入军队装备维修网络进行远程故障诊断。

图9武器装备电气状态监测电路发送端结构图图10武器装备电气状态监测电路接收与处理端结构图6结束语

近年来，传感技术与数据采集系统的发展很快，在测控系统中，传感器作为信息采集必不可少的装置，实现其网络化已经势在必行，随着新兴无线技术(如蓝牙技术)的发展以及其芯片价格的降低，无线方式在很多场合都得到应用以取代原有的有线接口方式。无线数据传输，不仅简化遥测系统的设计，而且增加了系统的便携性和灵活性，具有广泛的应用前景和推广价值。因此，基于蓝牙技术的无线网络化传感器也必将成为传感器发展的一个重要方向。

同时，目前无线蓝牙技术在数据采集系统中的应用还存在一些问题，对于那些数据量大、数据更新率高的数字式传感器,其可靠性、误码率和抗干扰问题,还有待于进一步的实验与改进。

参考文献

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