基于ARM和藍(lán)牙的無線信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 引 言

　　無線測試技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在連線復(fù)雜并需要反復(fù)拆裝被測設(shè)備和測試設(shè)備之間連線的場合，使用無線可以降低工作的復(fù)雜程度，節(jié)約大量的時(shí)間，提高測試環(huán)節(jié)的工作效率，尤其在有時(shí)間限制時(shí)其優(yōu)越性更加明顯。此外在不適宜連線的場合，如港口、碼頭、江河湖壩、野外勘測、石油勘探中油井深處環(huán)境參數(shù)的測量，使用無線測量具有有線測量無法比擬的優(yōu)越性。

　　對于近距離的無線傳輸，藍(lán)牙由于采用快速跳頻技術(shù)，確保了鏈路的穩(wěn)定，同時(shí)使干擾可能造成的影響變得很小，適合用于存在大量噪聲干擾的工業(yè)測試環(huán)境中，由于無線傳輸?shù)氖菙?shù)字量，因此在通常情況下沒有傳輸誤差，不會影響到系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并且可以單芯片實(shí)現(xiàn)，體積功耗都能達(dá)到很小的水平。

　　本文針對無線信號測試，提出一種基于ARM和藍(lán)牙的無線信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　2 芯片選擇

　　2.1 藍(lán)牙模塊的選擇

　　采集模塊使用的藍(lán)牙芯片是已經(jīng)商品化的藍(lán)牙模塊，其核心是主流的CSR的BlueCore02-External藍(lán)牙芯片，他與外圍器件一起構(gòu)成藍(lán)牙模塊，如圖1所示。電壓調(diào)整電路提供藍(lán)牙模塊所需的3.3 V和1.8 V電壓，閃存用于存儲藍(lán)牙固件和配置參數(shù)。藍(lán)牙主機(jī)可通過各種接口(SPI，UART，USB等)實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的通信。

　　2.2 微處理器的選擇

　　微處理器主要負(fù)責(zé)對采樣的控制，對信號調(diào)理芯片的進(jìn)行編程與控制，與藍(lán)牙模塊的通信。由于采用了寄居式的藍(lán)牙模型，所以微處理器通過HCI(Host Control Interface)接口與藍(lán)牙模塊通信，包括將采集的數(shù)據(jù)按照藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式打包發(fā)送給藍(lán)牙模塊，解讀從上位機(jī)發(fā)送過來的控制命令，控制系統(tǒng)的采集動(dòng)作以及藍(lán)牙模塊的工作方式。

　　基于ARM核心的微處理器具有運(yùn)算速度快，體積小，功耗低，外圍接口資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，使用基于ARM7TDMI-S核心的Philips LPC2146微控制器。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件分為采集模塊與接收模塊兩部分：

　　(1)采集模塊：為8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，8路傳感器信號經(jīng)過放大與調(diào)理后，均變?yōu)?～3 V的標(biāo)準(zhǔn)模擬電壓信號，分別連接到LPC2146的AD1.0～AD1.7管腳。LPC2146片內(nèi)的ADC是一個(gè)分辨率為10位，轉(zhuǎn)換速率為400 ks／s的逐次逼近型ADC，支持8路復(fù)用的輸入信號。LPC2146對8路信號進(jìn)行輪流采樣，數(shù)字化。由于LPC2146內(nèi)部的ADC不提供轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓基準(zhǔn)，故使用了LT1461A3這一+3 V的精密電壓基準(zhǔn)。

　　(2)接收模塊：接收模塊同樣以CSR BC02藍(lán)牙模塊為核心，與采集模塊進(jìn)行藍(lán)牙ACL(AccessControl List)數(shù)據(jù)通信。BC02芯片通過MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片與PC機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　3.1 信號采集模塊

　　CSR BlueCore02藍(lán)牙模塊具有HCIUART與HCI USB傳輸層。本課題采用了編程較為簡單HCI UART接口與微控制器LPC2146連接。

　　藍(lán)牙模塊與ARM的硬件連接如圖2所示。由于藍(lán)牙模塊和ARM都采用+3.3 V電源供電，故其接口間不存在電平差異，不需要電平轉(zhuǎn)換。藍(lán)牙模塊UART接口的發(fā)送端UART TX接LPC2146的UART0接收端RXD0，而藍(lán)牙模塊的UART接口的接收端UART RX接LPC2146的UART0發(fā)送端TXD0。

　　藍(lán)牙模塊的復(fù)位電路有上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位和LPC2146控制復(fù)位三種復(fù)位功能。在RST腳上的高電平持續(xù)時(shí)間大于5 ms時(shí)，藍(lán)牙模塊將被復(fù)位。

　　圖2中C1和R3組成上電復(fù)位電路；S1為長開按鈕，當(dāng)S1按下時(shí)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位；LPC2146的P0.16腳(BTRST)也可以通過D1二極管復(fù)位藍(lán)牙模塊。

　　3.2 藍(lán)牙接收模塊

　　接收模塊與監(jiān)控PC機(jī)連接，用來接收從采集模塊發(fā)送過來的藍(lán)牙ACL數(shù)據(jù)包，并將之傳送到PC。藍(lán)牙模塊與PC機(jī)的通信是基于HCI RS 232接口，使用了一片電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS 232電平，實(shí)現(xiàn)了利用PC機(jī)串口與藍(lán)牙模塊通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的功能，如圖3所示。

　　PC機(jī)與藍(lán)牙模塊的接口使用了硬件流控，如圖4所示。

　　值得注意的是，PC機(jī)主板內(nèi)置的RS 232接口能達(dá)到的波特率最大僅為115.2 kb／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)牙模塊ACL，連接的最大通信速率721 kb／s。為了避免RS 232接口成為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，使用了一塊PCI-RS232的接口卡，其波特率可以達(dá)到1 Mb／s。

　　另外，RS 232接口的波特率也受其傳輸距離的制約。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，最終接收端藍(lán)牙HCI UART傳輸層能在460.8 kb／s的波特率下正常的收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　3.3 硬件抗干擾措施

　　在此系統(tǒng)中，諸如ARM，信號調(diào)理芯片，藍(lán)牙模塊都是易受干擾的元器件，因此抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題。在硬件的設(shè)計(jì)時(shí)，主要采取了如下措施來加強(qiáng)整個(gè)測試系統(tǒng)的抗干擾能力：

　　(1)對電路板采用了電池供電。采用4.2 V的鋰電池供電，可以提供相對穩(wěn)定的電壓和純凈的電流。相對于其他采用金屬滑環(huán)或者旋轉(zhuǎn)變壓器供電的方案，電池供電消除了這兩種方式帶來的交流噪聲及電源波動(dòng)。

　　(2)對ARM處理器加入了電源監(jiān)控芯片MAX823及看門狗電路。當(dāng)電源的波動(dòng)超過安全閾值時(shí)(3.6～2.9V)，MAX823將產(chǎn)生一個(gè)Reset信號，對微處理器進(jìn)行復(fù)位。

　　4 結(jié)語

　　本課題基于藍(lán)牙技術(shù)的無線測試系統(tǒng)正是近距離無線通信技術(shù)在測試領(lǐng)域的應(yīng)用。該無線測試系統(tǒng)采樣通道數(shù)多，體積小，功耗低，具有多種節(jié)能模式，安裝簡便，兼具有信號調(diào)理和信號遙傳的功能，不但可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸)的參數(shù)采集，也可以應(yīng)用在其他高速或低速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)中，具有廣闊的應(yīng)用范圍和良好的應(yīng)用前景。