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蓝牙技术在数据采集系统中的应用
摘要：
蓝牙技术支持点对点和点对多点的通信
,
支持多设备之间进行无线数据交
换
,<
/p>
可使计算机与各种便携式、移动式通信设备之间在近距离内实现资源共享
< br>,
因此在传感技术与数据采集系统中得到了广泛应用。
本
文介绍了采用蓝牙技术的
主要技术特点和性能
,
并给出了蓝牙技术在几种数据采集系统中的具体应用。
关键词：
蓝牙技术，传感器，数据采
集系统
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-Communicator
Link)
”
MC Link
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<
/p>
)
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<
/p>
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
< br>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
1MH
z
，
采用时分双工方式。调制方式为
B
T=
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
。<
/p>
2.2
TDMA
结构
蓝牙的数据传输率为<
/p>
1Mb/s
，采用数据包的形式按时隙传送每时隙
0.625
μ
s
。
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。<
/p>
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
（
Scatter
net
）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
）<
/p>
，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
×<
/p>
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
（
Host Control In
terface
）实现高、低层的连接。后者则不需要
HCI<
/p>
。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
3.1 IEEE1451.2
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
，
transducer electronic
data sheet)
与标准规定的处
理器目标模型——网络
适配器
(NCAP
，
network
capable application process)
连接，
< br>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
，
smart transducer
interface module)
和
NCAP
的
10
线标准接口——变送独立接口
(TII
，
transducer
independence
interface)
。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
< br>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
Inte
rnet
，
同时
NCAP
通过分配的
IP
地址与网络相连，
< br>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<
/p>
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
，
host control interface)
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、<
/p>
TII
模块、
TEDS
< br>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
4.1 nRF401
芯片简介
<
/p>
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
，
Med
ical)
频段中的
433/ 434 MHz
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
< br>协
议
集
成
在
芯
片
内
部
，
采
用
的
是
频
移
键
控
FSK(Frequency Shift Keying)
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。
4.2 nRF401
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<
/p>
。
图
2
nRF401
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
nRF40
1
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
< br>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
PWR?UP ，PWR?UP =“
< br>1
”表示进入正常
工作模式，PWR?UP =“
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
434132 MHz
，
CS =
< br>“
0
”表
示中心频率为
433192 MHz
；
P3.2
控制
nRF401 TXEN
端，
TXEN =
“
< br>1
”表示进
入发送模式，
TX2
EN =
“
0
”表示进入接收模式。硬
件接口如图
5
。