基于ARM7的藍牙接入點的設計與應用

摘要：近幾年來，在工業(yè)現場上越來越多的使用了藍牙技術。藍牙技術在工業(yè)上的應用大概可以分為代替串行線纜、結合藍牙和互聯網技術、工業(yè)接入點、無線傳感器和起動器四個方面。本文著重介紹了藍牙接入點的硬件系統(tǒng)結構和軟件流程，并針對在工業(yè)現場上使用藍牙接入點將閥門、流量計、溫度變送器等幾個藍牙設備連接到工業(yè)以太網中，實現了帶藍牙通信模塊的工業(yè)設備和現有的有線網絡的通信。

1引言

在工業(yè)現場中，由于有些環(huán)境比較惡劣，布線不方便等因素可以采用藍牙無線通信技術來實現數據的通信。同時，工業(yè)現場中有很多以不同方式互連的設備，其中包括非智能化簡單數據連接單元 (I/O)、智能化設備 (比如智能傳感器、單回路控制器和 PLC)和監(jiān)控系統(tǒng) (作為 HMI使用，用于數據記錄和監(jiān)控 )等。這些設備大都是以各種不同的通信協議和媒介來互連的，其中有些就可以用藍牙無線技術代替。本文以 AT91R40008為例，結合 BCM04藍牙模塊開發(fā)了基于藍牙通信的工業(yè)接入點，組建了基于藍牙通信的閥門、流量計、溫度變送器測試系統(tǒng)，實現了帶有藍牙通信模塊的工業(yè)設備和現有的有線網路的通信。 2藍牙技術簡介

藍牙(bluetooth)是一種短距的無線通訊技術，電子裝置彼此可以透過藍牙模塊而連接起來，省去了傳統(tǒng)的電線。透過芯片上的無線接收器，配有藍牙技術的電子產品能夠在十公尺的距離內彼此相通，傳輸速度可以達到每秒鐘 1兆字節(jié)。同時，藍牙支持設備短距離通信(一般是 10m之內)。能在包括移動電話、 PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。藍牙的標準是 IEEE802.15，工作在 2.4GHz頻帶，帶寬為 1Mb/s。

藍牙技術在工業(yè)現場上的應用大致可以分為四個方面：

(1) 代替串行線纜。無線藍牙連接可以代替當前的串行線纜。

(2) 結合藍牙和互聯網技術。利用藍牙帶來的 CPU處理能力，給設備添加更多功能，如內置的 WEB用戶接口。

(3) 工業(yè)接入點。通過接入點將數個藍牙設備連接到傳統(tǒng)的有線網絡中，比如 IP網絡(如以太網)或者工業(yè)現場總線網絡(如 Controlnet和 Profibus等)。

(4) 無線傳感器和起動器。利用藍牙來將與物理制程關系昀密切的設備 (傳感器、起動器和簡單的模擬 /數字 IO設備)連接到監(jiān)控系統(tǒng)。

3 藍牙接入點的系統(tǒng)設計

在工業(yè)現場中使用無線通信技術。這就要求工業(yè)設備使用藍牙功能，并能和現有的以太網或者工業(yè)現場總線網絡相連。在這里，藍牙接入點就好像一個“電話交換機”，通過以太網供電設備和上位機進行通信，以及通過無線方式和工業(yè)現場設備進行數據交換，實現上位機對現場設備的數據采集、監(jiān)測和控制。本文將藍牙接入點的系統(tǒng)設計分為硬件體系結構和軟件設計兩個部分。下面將對這兩部分進行具體說明。

3.1 硬件體系結構

該藍牙接入點包含了微處理器( AT91R40008)、存儲器、藍牙通信模塊、網絡通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設計中，電源使用了以太網供電設備，該設備除了用于網口通信，還提供設計中所需要的電源。該電源經過電平轉換，為微處理器、存儲器、藍牙通信模塊等提供所需的 +3.3V和+1.8V電源。 32位的微處理器 AT91R40008通過串口 0和串口 1與串口通信部分和藍牙模塊進行數據交換。圖 1為藍牙接入點的硬件框圖。下面就其具體原理進行說明。

3.1.1 微處理器 AT91R40008

AT91R40008是 Atmel AT9116的 32位的微控制器系列產品。它以 ARM7TDMI 處理器內核為基礎。該處理器有一個高性能 32位精簡指令系統(tǒng)和一個高密度 16位的指令系統(tǒng)，同時具有較低的能耗。AT91R40008具有片上的 SRAM或 ROM、完全可編成的外部總線接口(EBI)、32個可編程的 I/O口、8個優(yōu)先級、4個外部中斷、2個 USART及 16位的定時器/計數器等特點。除此之外，在內部寄存器實現對異常情況的快速處理，可以方便的進行即時控制和應用編程。

AT91R40008以與外部存儲器的直聯為特色,由外部 FLASH，經過完全可編程外部總線接口 (EBI)、一個八位優(yōu)先向量中斷控制器,，及外部數據控制器，大大提高了處理器的即時性能。 AT91R40008使用 Atmel的高密度 CMOS技術， ARM7TDMI 處理器內核結合了片上高速存儲器及其外部設備，使其具有非常強大的功能。

微處理器部分的設計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復位，地址總線、數據總線的分配和定義，通過串行線對藍牙模塊的讀寫等。

系統(tǒng)由外部的 50M鐘振作為時鐘源向 cpu輸入時鐘信號。復位電路由 10uF的電容、10K的電阻及按鍵組成低電平復位電路。該復位電路可實現上電低電平自動復位或者手動復位。AT91R40008內部 ROM為 128K，外部昀大可擴 64M的存儲器，由于設計需要，在設計中擴展了一片 2M字節(jié)的 SST36VF160對大量的軟件程序進行存儲。由于 AT91R40008內部包含的 SRAM已達 256K，對于數據存儲已夠用了，所以在外部沒有進行 RAM的擴展。網卡芯片 AX88796通過片選線、中斷線、讀寫信號控制線和地址數據總線和 cpu相連，實現藍牙接入點和上位機的網絡通信。AT91R40008通過串口 1實現與藍牙模塊的數據交換，通過串口 0實現和上位機之間的串口調試。

3.1.2 FLASH存儲器 SST36VF160

由于該系統(tǒng)是應用與工業(yè)現場以太網中，在軟件中必須加入相應的以太網規(guī)范標準，所以在系統(tǒng)設計中，在 cpu的外部拓展了 2M字節(jié)的 FLASH。SST39VF160是一個 1M×16的 CMOS多功能 FLASH器件，由 SST特有的高性能的 SuperFlash技術制造而成。 SST39VF160功耗較低，工作電壓為 3.3V，具有高性能的編程功能，字編程時間為 14us。基于 SST39F160的這些優(yōu)點選用這款 FLASH，在實踐中證明這款 FLASH能夠更方便和更低成本的滿足程序配置和數據存儲的要求。

3.1.3 藍牙模塊 BCM04是滿足自適應的可進行數據交換和語音通信的藍牙通信模塊。其體積小，為 17.5×15.0×2.3mm;工

作電壓為 1.8V，功耗較低;以 UART為主接口，另有語音接口、 SPI接口、 PIO口等，其結構框圖如圖 2所示; BCM04內部集成了 16Kbits的 EEPROM和 4Mbits的 FLASH/ROM，具有豐富的存儲器資源。