蓝牙技术在数据采集系统中的应用

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,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,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)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。

2.2 TDMA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（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），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 （Host Control Interface）实现高、低层的连接。

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3.1 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，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，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、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4.1 nRF401 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/ 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。

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。