基于蓝牙的智能数据采集系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文基于蓝牙的智能数据采集系统的设计与实现姓名：李勇申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：汪小燕20080601华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 随着科技的不断进步与相关技术的不断创新，蓝牙技术越来越多的被运用到各行各业中。蓝牙是一种短距离无线通信技术标准，具有使用方便、可靠性高、低功耗与低成本的特性，它的目的在于替代数字设备与计算机外设之间的线缆连接以及实现数字式设备之间的无线组网。本文所研究的内容就是设计并实现借助蓝牙技术进行数据传输的智能数据采集系统。论文致力于对基于蓝牙技术的智能数据采集系统进行研究、设计与实现。内容主要包括系统硬件平台的设计与基于该平台的软件开发，重点分析了系统硬件平台的搭建过程以及主要模块的软硬件设计。在硬件平台设计方面，分析系统功能需求，设计了以ATmega128L微处理器为核心的嵌入式系统，系统的外围包括蓝牙通信模块、数据采集处理模块、实时时钟模块、电源模块与人机交互模块等。其中数据采集处理模块包括传感器、ADC与闪存芯片，分别用于对现场数据的采集、转化与存储。实时时钟模块提供了用户对系统时钟设定的功能。在软件开发方面，编写各个模块的驱动程序，移植uC/OS-II操作系统并以其为核心开发系统应用程序，还为系统闪存芯片构建了文件系统，以方便对数据文件的操作与管理。论文最后给出了系统的测试结果。测试结果表明，该系统实现了设计需求，达到了要求的性能指标。系统硬件电路设计合理，接口灵活。基于操作系统，系统应用程序的开发更加简单、灵活与高效。其中，蓝牙无线通信模块工作正常，性能稳定，易于后续的进一步开发。关键字：关键字：蓝牙；数据采集；传感器；Flash；uC/OS-II；文件系统 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract With the continuously improvement of science and innovation of technologies related,the use of bluetooth technology is growing even faster in many aspects,in daily work and life.Bluetooth technology,high-dependability,low power and cost,is a kind of communication standard for wireless and short distance,which gives the convenience for use.It aims to replace the cable between the information equipments with radio wave and establish a personal area network to communication with each other.The main research content of this thesis is to design and implementation a smart system based on the communication technology of bluetooth.This thesis aims to research,design and realize a smart system based on the communication bluetooth technology.The contents mainly include the design of system hardware platform and software development based on this hardware platform,emphatically analyze the process how to set up the system hardware platform and how to design the important modules software and hardware.After analysis of the system requirement of function,a embedded system which uses ATmega128L as microprocessor is designed on the hardware platform,which includes bluetooth module,data acquisition and processing module,real-time clock module,power module and man-machine interaction module.The data acquisition and processing module include sensors,analog-digital converter and Flash chip,respectively used to acquire,convert and memory the field data.Real-time clock module supplies the function of pre-setting system clock time for users.On the software platform design aspect,every modules driver is designed,the embedded real-time operating system uC/OS-II is transplanted and application program based on it is compiled,file system for Flash is also designed so as to conveniently operate and manage the data files.At last,the system test result is supplied which proves that the system requirement of function and performance required is achieved.The system has a reasonable hardware circuit design,flexible interfaces.Base on uC/OS-II,the application program is developed easily,flexibly and efficiently.Most of all,the bluetooth module works normally and stability,it is easy to be further developed.Keywords:bluthooth;data acquisition;sensor;Flash;uC/OS-II;file system 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于 保密?，在 年解密后适用本授权书。不保密?。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 系统模块化、系统结构构建自由、易于实现分布式配置以及便于用户掌握等特点，使得数据采集系统在实施各种数据采集任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。随着科技的进步与生产的需求，数据采集系统也有飞越性的发展，产生了全新性能的智能数据采集系统。近年来，对数据采集系统的可移动性与无线化的要求空前提高，短距离无线通信技术特别是蓝牙技术等的出现为上述问题提供了解决方案。这些无线技术所具有的优势使得此方案有着巨大的发展前景。1.1 数据采集系统的现状与发展趋势数据采集系统的现状与发展趋势 1.1.1 数据采集系统的历史与现状数据采集系统的历史与现状 数据采集系统起始于20世纪50年代美国研制的一种测试系统。大约在60年代，国外就有了成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备与系统多属于专用系统。在70年代随着微型机的发展，诞生了将采集器、仪表和计算机融为一体的数据采集系统。在80年代随着计算机应用的普及，数据采集系统也发生了极大的变化：工业计算机、单片机与大规模集成电路结合在一起，用软件对其管理。这一变化使得系统的体积减小，成本降低，功能成倍增加，数据处理能力也大大加强1。从90年代至今，数据采集系统的精度与速度得到了大幅度的提升；系统结构上采用模块式结构，组建一个系统也更加简单快捷。因此，数据采集系统在军事、工业、环境与通信等领域得到了广泛的应用2。在现代工业环境中，借助数据采集系统采集到的数据，可以构建一个实时性良好的反馈控制系统，大大提高生产效率。在人类起居环境中，通过采集到的数据可以分析环境的各项指标，从而能够及时改善生活环境。诸如上述的这些种类繁多的数据采集系统，它们有着共同的技术关键点：数据采集的精度、数据采集的速度、数据采集的通道数、系统的通信与组网性能及系统的智能化等等。而如何将最新最先进的科学技术融入到这些关键点以进一步提高整个系统的性能，是当今工业生产和科学研究的一个重点与热点。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21.1.2 数据采集系统发展趋势数据采集系统发展趋势 进入到二十一世纪，在微电子技术、通信技术与计算机技术迅猛发展的同时，继续拓宽其应用范围的数据采集系统不断与上述技术进行融合，并向以下几个方向迅猛发展：1、高精度、高速率与高可靠性化 随着传感器技术的发展以及数字传感器的出现，数据采集的精度将会得到不断提高。而多通道，高采样速率的ADC(Analog to Digital Convter)则将会在转换多路信号的同时，大大提高数据的采集速率与精度。同时，采用DSP，FPGA等高性能器件控制整个系统，在确保精度与速度的同时也提高了系统的可靠性。2、微型化 微电子技术的不断发展使芯片集成度越来越高，体积却越来越小。而随着PCB制作工艺的持续提升，不断有六层，八层甚至更多层电路板的出现。诸如上述的这些因素促使着数据采集系统的体积不断减小，应用也更加灵活。3、智能化 数据采集系统与智能化技术的结合，使数据采集系统由单一功能与单一对象检测向多功能多对象检测发展。数据采集系统根据输入信号进行判断、决策、自动修正与补偿，使其由被动进行信号转换向主动控制数据采集特性与主动进行信息处理发展3。4、无线化 传统数据采集系统在上传数据时多采用有线方式，连线冗长复杂，成本较高。而随着无线技术的发展，数据采集系统将逐渐采用无线方式上传数据。长距离传输时，可以借助公网如GSM，CDMA；短距离传输时，则可以利用日益成熟的短距离无线通信技术如蓝牙技术与Zigbee等。5、网络化 发展中的数据采集系统引入了网络通信模块，这为系统的扩充提供了极大的方便，也使得数据采集系统之间可以更加容易的交互数据。网络化数据采集系统，不但提高了系统的可靠性与实时性，也使诸多采集节点融为一体，更加方便高效的获取外界信息。1.1.3 智能数据采集系统概述智能数据采集系统概述 当今社会，随着科学技术的飞速发展以及测控系统自动化与智能化的进步，要华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3求数据采集系统采集速率快，精度高与可靠性高，而且具备智能化。传统的数据采集系统已经无法满足上述要求。于是，功能更加强大的智能数据采集系统得到了飞跃性的发展。智能数据采集系统以高性能微处理器为核心，采用高性能的传感器、ADC、数据存储芯片与通信模块，这使得系统拥有了更快的速率、更高的精度与更理想的可靠性，并且具备了智能化。对于智能数据采集系统，其基本功能模块包括数据采集、数据转换、核心控制与数据通信等几部分，组成框图如图1-1所示：数据采集核心控制数据转换数据存储数据传输 图 1-1 智能数据采集系统组成框图 1、数据采集部分一般采用高精度的传感器，将外界物理量转换为电压信号。对于采集动态数据的传感器，要求其具有高带宽的输出以满足系统需求。2、数据转换部分用以对模拟电压信号进行A/D转换，然后把数字信号输出到核心控制部分，以便进行相应的处理。当然，对于数字传感器的输出则无需进行数据转换。3、核心控制这一部分功能由微控制器的软硬件实现，是所谓智能化的主要体现。微控制器可以控制数据采集的时间间隔、时间长度与速率等相关参数；也可以进行温度补偿、非线性校正等数据处理功能；还可以控制数据传输。4、数据存储部分用以存储采集数据，等待上传或其它操作。随着闪存技术的进步，大容量的闪存芯片不断推出，这给数据存储带来了便利。数据存储也是数据采集系统无人值守的基础与关键之一。5、通信模块提供了智能数据采集系统上传数据与接收外界指令的功能。具体应用不同，此模块的具体实现也不尽相同。对于长距离的无线传输，此部分可以是GSM/CDMA MODEM；对于短距离的无线传输，此部分可以是蓝牙模块与Zigbee模块等。综上所述，智能数据采集系统包含了以下全部或部分特点：(1)具有高性能与多功能性；(2)具有自校准与自调整功能；(3)具有记忆与存储功能；(4)具有无线数据通信功能；华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4(5)具有组网功能；1.2 蓝牙及与其它无线通信技术的比较蓝牙及与其它无线通信技术的比较 随着通信与信息技术的不断发展，包括蓝牙、IEEE802.11和HomeRF等在内的短距离无线通信技术正日益走向成熟，应用的步伐不断加快。可以肯定的是，各种短距离无线通信技术将在移动通信、计算机及其周边设备、自动化控制与家庭信息化等领域扮演越来越重要的角色，发挥巨大作用。蓝牙的有效范围大约在10米左右（在增加发射功率的情况下可以达到100米），在此范围里面，带有蓝牙功能的设备，如手机、打印机与笔记本电脑等可以进行无线网络连接，组建微微网，理想情况下可以以1Mb/s的速率互相传递信息。目前，蓝牙技术的一个开发重点就在于多点连接，以方便多个蓝牙设备间的数据共享。而在最新的蓝牙协议规范中，蓝牙的数据传输速率可以达到3Mb/s4。随着蓝牙技术与超宽带技术（UWB）的融合，蓝牙的通信速率将会得到进一步的提升5。由于蓝牙具有低功耗、体积小、可以同时传输语音与数据的特点，蓝牙几乎可以应用到各种数字设备中去，特别是那些对传输速率要求不太高的设备，如通信、计算机及周边设备、个人随身信息、网络接入与工业设备等。为了增强抗干扰的能力，蓝牙特别设计了快速确认和跳频的方案，每秒钟频率可以跳变1600次。与其他工作在这一频段的系统相比，蓝牙跳变的时间和数据分组都更加短，从而极大提高了链路的稳定性，避免与ISM频段上的其他系统或微波炉等设备互相干扰。IEEE802.11也是一种当今非常流行的短距离无线通信技术，它主要用于实现小范围内的无线接入，也是目前无线局域网的主要技术标准6。IEEE802.11的覆盖面可以达到300米，传输速率可达11Mb/s，这种技术可以构建高速局域网，以替代一些小型的有线局域网络，更适合于人口流动量大的场所。但是它的功耗、体积以及价格等方面一直以来都不能让人太满意，因此在诸如对功耗、价格有很高要求的领域使用比较少，在应用上就有很大的局限性。当然，IEEE802.11的高速率、相对长距离也使很多厂商对它产生了很高的兴趣，可是因为缺乏清晰的赢利模式，它的发展尚处在初始阶段，还有一系列问题要解决。HomeRF技术以共享无线访问协议（SWAP）为基础，采用跳频技术，每秒跳频50次，通讯速率为1Mb/s或2Mb/s7。这种技术主要为家庭用户设计，同时支持数据与语音通信，侧重于PC与外设组成无线局域网，通过家庭中的某一主机在数据与语音设备之间实现无线通信，而且它最多可以支持6个全双工的语音信道，因此这种技华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5术特别适用于家庭网络环境。总体而言，上述三种技术各有利弊，有各自适合的应用领域，它们之间不是一种纯粹的竞争与取代关系，而是能够进行很好的互补。蓝牙技术抗干扰能力强，可以应用于绝大多数以无线方式代替线缆的场合，特别适用于需要低功耗或者是双向连接的应用场所；IEEE802.11比较适合于办公网络接入，现在很多企业都已经用该技术绕过无线通信运营商建立无线局域网络，节省了可观的成本；HomeRF则大多应用于家庭中的无线局域网络，进行数据与语音的无线传输。结合对上述三种短距离无线通信技术的分析发现，将蓝牙技术与数据采集系统结合起来，是蓝牙技术应用中的一个新颖、巧妙的设想。借助蓝牙技术传输采集的数据，可以提高数据采集系统的性能，拓宽其应用场合。在系统设计上，蓝牙模块与系统接口电平兼容，设计简单；系统应用程序只需作较小改动就可以适应蓝牙模块，便于程序的模块化设计。1.3 课题的研究工作和内容安排课题的研究工作和内容安排 论文围绕基于蓝牙技术的智能数据采集系统的软硬件设计与开发做了许多的工作，重点处理了蓝牙通信系统的构建、数据采集处理模块的设计与整机性能的完善。全文各章节的内容安排如下：第一章为绪论，介绍了本篇论文研究的背景与内容，并给出了本文的架构。第二章为总体方案设计，介绍了系统的总体结构、硬软件组成、系统工作流程与系统的网络工作特性。第三章介绍了基于蓝牙通信的智能数据采集系统的硬件平台设计，讨论了各模 块硬件设计的方法与关键技术。第四章介绍了基于蓝牙通信的智能数据采集系统的软件平台设计，在此基础上重点讨论了现场数据的采集处理以及蓝牙通信模块的设计与实现。第五章为测试结果分析与全文总结展望，首先给出的是系统的测试方法与测试数据，然后对该数据采集系统的研究与开发做了全文总结并提出后续的研究方向。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 62 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.1 系统总体概述系统总体概述 考虑到当今诸多应用中对数据采集系统的要求，以及数据采集系统的发展新动向，本文设计了一个基于蓝牙技术的智能数据采集系统。系统主要具备以下特点：(1)高精度、高速率与多通道输入。系统采用高精度的传感器与 ADC，采集数据精度高、速率快，后期还有对数据的补偿与校正。系统具备八个模拟输入通道，可以同时采集数据。(2)具备数据存储功能。系统设计有大容量NAND型闪存芯片来存储采集的数据。闪存芯片内建有文件系统，使得数据管理变的更加简单灵活。(3)具备智能化。系统能够控制数据采集的时间间隔、采集的时间长度与采集的速率等重要参数。系统还能控制用户对采集数据的访问。(4)移植 uC/OS-II 操作系统。系统软件的开发难度降低，其运行效率也得到了大大提高。(5)采用蓝牙技术。系统设计有蓝牙模块，实现了无线方式上传数据。这就省却了连接线，系统成本降低，应用更加灵活。同时，由于蓝牙具备抗干扰能力强等技术优势，数据传输的速率高，而误码率低。在实现技术指标的前提下需要对系统成本进行控制。综合考虑系统所必需的芯片与模块的兼容性和性价比之后，得出了如下所述的系统设计方案。整个数据采集系统主要由主控制器模块、蓝牙通信模块、数据采集处理模块、时钟模块与人机交互模块等组成。主控制器模块选用 ATmega128L 高端单片机，并与蓝牙通信模块通过 UART 接口相连，使二者成为了一个灵活的整体。数据采集处理模块包括传感器组、ADC 与用以存储数据的 NAND 型闪存芯片。系统还设计有时钟模块，用来给整个系统提供精准的实时时钟。人机交互模块用以实现人机交互，提高系统的灵活性与智能化。系统的总体设计结构如图 2-1 所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 核心处理器ATmega128L定时芯片蓝牙通信模块传感器组薄膜键盘LCD电源模块（5V、3.3V）扩展RAMISP下载口模数转换器闪存芯片现场传感信号 图 2-1 系统总体设计结构框图 2.2 系统硬件模块设计系统硬件模块设计 2.2.1 数据采集处理模块数据采集处理模块 数据采集处理模块完成对现场数据的采集、转换与存储，是系统的核心模块之一。该部分不仅可以处理自身传感器采集的数据，还可以处理直接接入到ADC的外界传感信号。本模块设计有三个传感器，分别是模拟温度传感器AD22103、单轴加速度传感器ADXL103与双轴加速度传感器ADXL203，依次用于对现场温度与不同方向加速度等数据的采集。而ADC采用MAXIM公司的MAX197 BCNI。该转换器有8个模拟输入通道、12位的二进制输出、100Ksps的采样速率与6us的转换时间，能够满足系统的需求。对于存储芯片，采用三星公司的K9F5608U0A闪存芯片。该芯片为NAND型Flash，容量为32M字节。在与处理器的接口上，该芯片复用8根I/O口作为数据总线与地址总线，节省了处理器的I/O口资源。2.2.2 蓝牙通信模块蓝牙通信模块 蓝牙模块实现系统与其它蓝牙设备的通信与组网功能。系统蓝牙模块以英国 CSR（Cambridge Silicon Radio）公司的 BlueCore2-External 蓝牙芯片为核心设计。该芯片是一个单芯片蓝牙 2.4 GHz 系统，但没有集成射频与天线部分，需另外自行设计8。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 82.2.3 处理器及电源模块处理器及电源模块 在综合比较多款处理器的处理能力、兼容性与性价比之后，选用爱特梅尔（ATmel）公司的 ATmega128L 作为系统的核心处理器。该款处理器是采用 RISC 结构的 8 位 AVR 单片机，处理能力较强，在外接 8MHz 晶体时，其 CPU 的处理能力接近 8MIPS(百万条指令每秒）9。同时它拥有丰富的片上资源与接口，非常适合在本系统中应用。围绕系统各个芯片与模块的供电需求，系统设计了 5V 与 3.3V 两种电源。在考虑功率与其它相关因素之后，选用意法半导体公司的 L7805CV 电压转换芯片与凌力尓特公司(Linear Technology Corporation)的 LT1117-3.3 电压转换芯片，用以得到稳定的电压。2.2.4 时钟模块和人机交互模块时钟模块和人机交互模块 系统时钟模块实现了用户对时钟设置的功能。本方案选用飞利浦公司的PCF8563 时钟芯片给系统提供精确的实时时钟（RTC）。该芯片采用 IIC 接口，从地址读为 0 xA3H，写地址为 0 xA2H，操作简单，占用硬件资源少。人机交互模块主要包括薄膜键盘与 LCD。2.3 系统软件结构设计系统软件结构设计 软件部分要配合硬件完成各种功能操作，包括数据采集处理、数据文件管理、通信实现与人机交互等。要实现这些功能，需要完成模块驱动程序的编制、操作系统的移植、文件系统的构建与人机交互程序的编制。系统软件结构如图 2-2 所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 系统时钟管理硬件平台人机交互程序模块驱动程序UC/OS-II操作系统文件系统管理数据采集处理蓝牙设备控制异常数据报警实时数据显示系统数据管理 图 2-2 系统软件结构图 2.3.1 系统模块驱动程序和文件系统的构建系统模块驱动程序和文件系统的构建 模块驱动程序主要包括 MAX197 的驱动程序、闪存芯片 K9F5608U0A 的驱动程序、时钟芯片 PCF8563 的驱动程序以及 LCD 驱动程序等。人机交互程序主要是键盘的初始化与读操作程序。该程序可以实现正确的检测用户的按键键值，以完成相应的操作。考虑到 NAND 型 Flash 芯片承受的擦除次数有限，为了防止器件的损坏与坏块的产生，系统为闪存芯片构建了一个文件系统10。此文件系统参考 FAT16 文件格式构建，占用资源少，能够达到均衡擦除的目的，同时还可以使闪存芯片中的数据更加便于管理与操作。2.3.2 系统应用程序及其编译下载系统应用程序及其编译下载 应用程序实现对系统工作状态的切换。这些应用程序包括启动系统管理、现场数据处理（包括数据的采集、转换与存储）、蓝牙设备控制、异常数据报警、实时数据显示与系统数据管理等。应用程序需要以 PC 机为平台，在 WinAVR 编译环境下写入、编译与链接。链接成功后，借助下载软件与 ISP 总线接口便可以将程序文件下载到芯片的程序存储区中。核心处理器 ATmega128L 在上电或者复位后，自动运行程序存储区中的程序。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 102.4 系统工作流程系统工作流程 系统上电或者复位后，首先进行系统的自检，自检通过后便进行操作系统与文件系统的加载，然后运行应用程序。应用程序的运行中包含有三个重要的过程，依次是现场数据采集处理（包括数据的采集、转换与存储）、蓝牙通信链路的建立、用户通过蓝牙链路对系统数据文件的操作（包括对数据文件的读取、删除与复制）。2.4.1 现场数据采集处理现场数据采集处理 现场数据采集处理过程是系统应用程序执行中最重要的一环，也是实现系统功能与提高系统性能的关键所在。该过程首先是系统传感器采集现场数据，然后 ADC 对采集 的数据进行 A/D 转换，转换完毕之后存储到系统闪存芯片中。在将数据写入到闪存芯片之前，需要首先读取文件系统的 FAT 表，定位新文件的位置。而该过程完毕后要刷新 FAT 表，这样 FAT 表中就会包含新文件的开始地址与结束地址。数据采集处理的流程如图 2-3 所示。读FAT表，定位新文件初始化ADC将结束地址写入 FAT表结束采集，转换，存储完成未完成 图 2-3 现场数据处理工作流程 2.4.2 蓝牙通信链路建立过程蓝牙通信链路建立过程 系统蓝牙设备运行串行端口剖面协议（Serial Port Profile，SPP），可以与另一台运行该协议的对等蓝牙设备建立虚拟串口链接。该协议定义两个蓝牙设备分别为主设备（发起与另一设备连接的设备）和从设备（等待与其它设备连接的设备）。在本华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11设计中，系统蓝牙设备充当主设备，用户蓝牙设备充当从设备。由上论述可知，本文所讨论的蓝牙通信链路实质上就是此虚拟串口链接。蓝牙通信链路的建立过程包括了查询与寻呼两个过程。对该链路建立过程的详细描述如下12：(1)查询过程 系统蓝牙设备在某指定时刻启动，在初始化之后进入到查询子状态，然后蓝牙设备连续的在不同频点发送查询消息。而用户蓝牙设备（从设备）能够周期性的进入到查询扫描子状态。用户设备接收到一个查询信息后，便进入到查询响应子状态，同时发出查询响应信息。该消息包括系统蓝牙设备与用户蓝牙设备的地址与时钟。(2)寻呼过程 得到用户设备的蓝牙地址后，系统蓝牙设备便进入到寻呼子状态去和从设备建立链接。在寻呼状态下，系统蓝牙设备基于用户蓝牙设备地址估计的当前时钟产生一个跳频序列。然后，系统蓝牙设备在所产生的信道序列跳频时重复发送寻呼信息。用户设备接收到寻呼信息后，产生一个寻呼响应信息。寻呼响应信息中包含了一些关键信息，如相同的信道接入码和跳频序列和时钟同步信息等。当寻呼过程完成后，蓝牙设备便进入到了链接状态，至此两台蓝牙设备便可以进行通信。完整的通信流程如图 2-4 所示。系统设备用户设备查询查询响应寻呼寻呼响应链接建立时间 图 2-4 蓝牙设备通信链路建立流程图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 122.4.3 用户对数据文件操作用户对数据文件操作 经过认证后的用户可以通过蓝牙通信链路访问系统闪存芯片中的数据文件，对其进行诸如读取、复制与删除等操作。对该过程的设计思想如下：在通信链路建立完毕后，系统程序等待用户输入操作指令。比如用户欲读取地址为 A0 00 DB 00 的文件，可以发送指令 00 A0 00 DB 00。其中，第一个 00 表示用户要进行的操作是读取文件。系统程序接收到指令后便可以执行相应的操作。该通信链路（虚拟的串口链接）的最高速率可以达到 115.2 Kb/s，满足了设计需求。2.5 系统的网络特性系统的网络特性 具备组网功能会使设备更加方便的与其它设备进行数据交互，提高设备本身的性能与应用范围。基于此，为该数据采集系统设计了良好的组网功能。系统蓝牙模块采用HCI开发方式，系统硬件无需做任何改动，软件部分仅需修改相应的蓝牙组网程序便可以方便的构建蓝牙微微网与散射网13。微微网是指几个蓝牙设备处在通信范围内时，一个设备主动发起连接，其它设备响应而形成的一个自组织网络。散射网是由几个微微网借助一个桥节点构建的。微微网与散射网的示意图如图2-5和图2-6所示。主设备从设备无线连接SSSSSSSSMMMMSSSSSSMSS 图 2-5 蓝牙微微网示意 图 2-6 蓝牙散射网示意图 微微网在网络初建时，定义其中1个蓝牙设备为主设备（Master），其余设备为从设备（Slave）。主设备能够主动发起连接请求，而连接响应方则为从设备。微微网中最多可以有256个从设备，其中最多有7个处于激活状态，其它处于空闲状态。这256个从设备的级别是相同的，具有相同的权限。多个微微网在空间上相互重叠可以构成更加复杂的网络拓扑结构，即散射网。散射网由多个独立的非同步的微微网组成，它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有设备都与这个跳频顺序同步。在带有10个全负载的独立的微微网的情况下，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13全双工数据速率超过6Mb/s。2.6 本章小结本章小结 本章首先论述了基于蓝牙的智能数据采集系统的总体设计方案，接下来重点讨论该系统的硬件模块设计与系统的软件结构设计，还讨论了系统的工作流程与网络工作特性。后续两章将进一步在此系统实现方案的基础上，详细论述该系统的关键技术基于蓝牙的智能数据采集系统的硬件平台设计与软件平台设计。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 143 基于蓝牙通信的智能数据采集系统的硬件平台设计基于蓝牙通信的智能数据采集系统的硬件平台设计 按照自上而下的设计方法，确定了系统的体系结构之后，要进行系统硬件各模块的设计。由前面的论述可知，系统的硬件设计是系统设计与实现的基础和重点。数据采集处理模块的选择则决定了系统的性能与技术指标，应予以重点关注。微处理器与蓝牙通信模块也是系统硬件设计的关键。很大程度上，上述部分决定了系统的开发工具、开发周期的长短、系统成本、系统性能及系统可二次开发性等。3.1 数据采集处理模块设计数据采集处理模块设计 工业应用领域中经常涉及对温度、压力、加速度等数据进行采集与处理14。依据这些待采集数据的性质，为实现对其精确采集处理特确定本智能数据采集系统的性能指标如下：1、能够采集八路信号；2、单路采样速率在100Ksps以上；3、12位的模数转换分辨率；4、选择32M字节容量的存储器对采集到的数据进行暂存。5、由高性能低功耗的处理器ATmega128L控制整个数据采集模块。3.1.1 系统传感器组系统传感器组 1、模拟温度传感器AD22103 AD22103是美国AD(Analog Devices)公司出产的一款单片集成温度传感器。它能够应用在0到+100的环境中，其供电电压是常见的3.3V。该芯片的输出电压由温度与芯片的供电电压共同决定，范围是0.25V（温度是0，供电电压为标准的3.3V）到+3.05V（温度是100，供电电压为标准的3.3V）。这个输出电压的范围决定了该传感器可以直接与ADC连接，使用方便。模拟温度传感器AD22103的核心部分是一个专用的热敏电阻，类似于RTD（Resistance Temperature Detector，电阻温度检测器），嵌入在芯片的内部。该传感器的原理图如图3-1所示。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 IRT+VSVOUT 图 3-1 模拟温度传感器 AD22103 原理图 标称为RT的热敏电阻，与普通电阻不同，它近似地与温度成比例。流经这个电阻的电流是与芯片供电电压成比例的，所以热敏电阻的电压是由芯片供电电压与温度变化引起的电压共同决定的。芯片测量结果的输出（电压）公式：VOUT(VS/3.3V)0.25V+(28.0mV/)TA。根据测量到的输出电压即可计算出待测量的温度值，论文后面的测试部分详细的给出了对该传感器的数据测试和误差分析。2、单轴加速度传感器ADXL103/双轴加速度传感器ADXL203 ADXL103/203是AD公司出产的一款单片集成、高精度和低功耗的单/双轴加速度传感器，其测量的范围都是1.7g，包括对动态的加速度（如振动）与静态的加速度（如重力）的测量，能够应用在40到+125之间。其功能模块图见图3-2。+5V交流放大器解调器输出放大器ADXL203+5V32 KXOUTCXSTCOMCDCVS输出放大器32 KYOUTCY传感器交流放大器解调器输出放大器ADXL10332 KXOUTCXSTCOMCDCVS 图 3-2 单/双轴加速度传感器 ADXL103/203 的功能模块图 ADXL103/203有对XOUT引脚与YOUT引脚输出信号带宽的限制。因此，需要在这些引脚上添加电容，组成一个低通滤波器，用以防止信号的混淆与滤噪（该引脚内接电阻的阻值为32k）。输出信号的3dB带宽方程是：F3dB=1/(2(32 k)CX)。具体的对应情况见表3-1。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16在实际应用中，此引脚上必须接入容值至少为2000pF的电容。表3-1 滤波器电容的选择 电容(uF)带宽(Hz)4.710.10500.051000.0272000.01500 加速度传感器 ADXL103/203 输出引脚的输出阻值为 32K，而 A/D 转换芯片MAX197 的输入电阻只有 12K，因此需要在二者之间添加信号调理电路，否则无法得到准确的测量数据。为此，在系统设计中添加了一个由运算放大器 uA741 构成的电压跟随器，见图 3-3 所示。接传感器输出接ADC输入uA741+15 V -15 V 图 3-3 传感器调理电路 运算放大器 uA741 的电源电压为+15V 和-15V（皆为典型值）、开环电压增益为106dB，输入电阻和输出电阻分别为 1M 和 75。由此运放构成的电压