1引言
在工業(yè)現(xiàn)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(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。同時，工業(yè)現(xiàn)場中有很多以不同方式互連的設(shè)備，其中包括非智能化簡單數(shù)據(jù)連接單元 (I/O)、智能化設(shè)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(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控 )等。這些設(shè)備大都是以各種不同的通信協(xié)議和媒介來互連的，其中有些就可以用藍牙無線技術(shù)代替。本文以 AT91R40008為例，結(jié)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(xiàn)了帶有藍牙通信模塊的工業(yè)設(shè)備和現(xiàn)有的有線網(wǎng)路的通信。
2藍牙技術(shù)簡介
藍牙(bluetooth)是一種短距的無線通訊技術(shù)，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(shù)的電子產(chǎn)品能夠在十公尺的距離內(nèi)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(shè)備短距離通信(一般是 10m之內(nèi))。能在包括移動電話、 PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)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(shù)在工業(yè)現(xiàn)場上的應(yīng)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(dāng)前的串行線纜。
(2) 結(jié)合藍牙和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。利用藍牙帶來的 CPU處理能力，給設(shè)備添加更多功能，如內(nèi)置的 WEB用戶接口。
(3) 工業(yè)接入點。通過接入點將數(shù)個藍牙設(shè)備連接到傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，比如 IP網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)(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(guān)系昀密切的設(shè)備 (傳感器、起動器和簡單的模擬 /數(shù)字 IO設(shè)備)連接到監(jiān)控系統(tǒng)。
3 藍牙接入點的系統(tǒng)設(shè)計
在工業(yè)現(xiàn)場中使用無線通信技術(shù)。這就要求工業(yè)設(shè)備使用藍牙功能，并能和現(xiàn)有的以太網(wǎng)或者工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)供電設(shè)備和上位機進行通信，以及通過無線方式和工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和控制。本文將藍牙接入點的系統(tǒng)設(shè)計分為硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)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(jié)構(gòu)
該藍牙接入點包含了微處理器( AT91R40008)、存儲器、藍牙通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信接口、串口通信等重要組成部分。在該設(shè)計中，電源使用了以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備除了用于網(wǎng)口通信，還提供設(shè)計中所需要的電源。該電源經(jīng)過電平轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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。
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3.1.1 微處理器 AT91R40008
AT91R40008是 Atmel AT9116的 32位的微控制器系列產(chǎn)品。它以 ARM7TDMI 處理器內(nèi)核為基礎(chǔ)。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(shù)器等特點。除此之外，在內(nèi)部寄存器實現(xiàn)對異常情況的快速處理，可以方便的進行即時控制和應(yīng)用編程。
AT91R40008以與外部存儲器的直聯(lián)為特色,由外部 FLASH，經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)， ARM7TDMI 處理器內(nèi)核結(jié)合了片上高速存儲器及其外部設(shè)備，使其具有非常強大的功能。
微處理器部分的設(shè)計包含系統(tǒng)硬件的啟動與復(fù)位，地址總線、數(shù)據(jù)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(fù)位電路由 10uF的電容、10K的電阻及按鍵組成低電平復(fù)位電路。該復(fù)位電路可實現(xiàn)上電低電平自動復(fù)位或者手動復(fù)位。AT91R40008內(nèi)部 ROM為 128K，外部昀大可擴 64M的存儲器，由于設(shè)計需要，在設(shè)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(nèi)部包含的 SRAM已達 256K，對于數(shù)據(jù)存儲已夠用了，所以在外部沒有進行 RAM的擴展。網(wǎng)卡芯片 AX88796通過片選線、中斷線、讀寫信號控制線和地址數(shù)據(jù)總線和 cpu相連，實現(xiàn)藍牙接入點和上位機的網(wǎng)絡(luò)通信。AT91R40008通過串口 1實現(xiàn)與藍牙模塊的數(shù)據(jù)交換，通過串口 0實現(xiàn)和上位機之間的串口調(diào)試。
3.1.2 FLASH存儲器 SST36VF160
由于該系統(tǒng)是應(yīng)用與工業(yè)現(xiàn)場以太網(wǎng)中，在軟件中必須加入相應(yīng)的以太網(wǎng)規(guī)范標準，所以在系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(shù)據(jù)存儲的要求。
3.1.3 藍牙模塊 BCM04是滿足自適應(yīng)的可進行數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示; BCM04內(nèi)部集成了 16Kbits的 EEPROM和 4Mbits的 FLASH/ROM，具有豐富的存儲器資源。
在設(shè)計中，使用了藍牙模塊的 UART口和微處理器 AT91R40008的串口 1相連，通過藍牙模塊向工業(yè)現(xiàn)場的無線設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在由 cpu，經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機中，實現(xiàn)上位機對藍牙設(shè)備的訪問與監(jiān)控。
3.1.4 網(wǎng)絡(luò)通信接口在設(shè)計中采用采用網(wǎng)絡(luò)接口將藍牙接入點接入工業(yè)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳遞到上位機中，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的無線設(shè)備和上位機的通信。網(wǎng)絡(luò)隔離器采用的是 HR61H50L，網(wǎng)卡芯片使用的是 AX88796。
AX88796是臺灣 Asix公司推出的 80186系列以及 MC68K系列等多種 CPU總線類型。 AX88796執(zhí)行基于 IEEE802.3/IEEE802.3u 局域網(wǎng)標準的 10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)控制功能，并提供IEEE802.3u兼容的媒質(zhì)無關(guān)接口 MII(Media Independent Interface)，用以支持在其它媒質(zhì)上的應(yīng)用。 AX88796的地址總線 SA[9:0]與數(shù)據(jù)總線 SD[15:0]分別與 CPU的地址/數(shù)據(jù)總線相連。 CPU通過 I/O讀寫 RJ45接口，或者經(jīng)過 MII接口送至外部的物理層芯片。SEEPROM接口可以用來連接串行 EEPROM。EEPROM可用于存儲 MAC地址，供 AX88796每次初始化時讀取。
3.1.5 電源部分
電源采用的是以太網(wǎng)供電設(shè)備，該設(shè)備采用符合 802.3受電設(shè)備標準，輸出標準的 +24V，經(jīng)過 LM2576-5、 AS1117-1.8和 AS1117-3.3電源芯片，電平轉(zhuǎn)換后，輸出藍牙接入點上的 cpu、存儲器、網(wǎng)卡芯片和藍牙模塊上所需的 1.8V和 3.3V電源。
3.1.6 串口通信
串口通信使用的是 MAX3232芯片。這里使用串口通信接口主要是為了調(diào)試藍牙模塊、 cpu和上位機之間的通信，及測試其通信性能。
3.2 軟件部分
在軟件設(shè)計部分，主要介紹一下藍牙模塊的通信原理。首先，初始化藍牙模塊，直到初始化成功。接著對通信模塊的各個端口進行定義。AT91R40008有 32位的 I/O口，設(shè)計時結(jié)合實際中的情況，考慮具體所用的端口，結(jié)合其他通信模塊定義這些端口。定義通信模塊端口完成以后，立即與現(xiàn)場無線設(shè)備進行連接。隨后，藍牙接入點開始搜索現(xiàn)場設(shè)備，并對現(xiàn)場設(shè)備進行讀寫，接收藍牙指令并更新。其藍牙模塊的通信流程圖如圖 3。
藍牙接入點向本地子網(wǎng)廣播自己的設(shè)備聲明，并接收其他設(shè)備的設(shè)備聲明。初始化完后 5秒鐘內(nèi)用來搜尋子網(wǎng)中的鄰居設(shè)備，搜尋完成后，開始建立鄰居表，并把鄰居表內(nèi)的其他從設(shè)備加入到無線調(diào)度列表中。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，接入點按照確定性調(diào)度算法輪詢從設(shè)備。并把藍牙數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換成工業(yè)以太網(wǎng)的報文，放入工業(yè)
以太網(wǎng)的調(diào)度器中。設(shè)備聲明報文：
typedef struct _zgb_pkt_ann {
} zgb_pkt_ann;
信息分發(fā)報文：
typedef struct _zgb_distribute { INT8U devdesp[16]; INT8U mdata[16];
} zgb_distribute;
令牌：
typedef struct _zgb_pass_token { INT8U ans;INT8U res[3]; /⁄設(shè)備描述, 字符串 //主 or從? 0主設(shè)備; 1 從設(shè)備 //設(shè)備狀態(tài): 0設(shè)備未組態(tài) , 自由發(fā)包; //1設(shè)備已組態(tài) , 獲取令牌才能發(fā)包 /⁄保留字段
/⁄設(shè)備描述, 字符串 /⁄信息分發(fā)的內(nèi)容
//確認? 0不確認 ; 1確認 /⁄保留信息
} zgb_pass_token;
藍牙接入點在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用
在設(shè)計中，將工業(yè)以太網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)現(xiàn)場的無線設(shè)備之間建立連接，如圖 4。工業(yè)現(xiàn)場的無線設(shè)備通過一個藍牙專用的傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{牙接入點。數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，成為工業(yè)以太網(wǎng)能夠識別和支持的格式，并傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)中的一個發(fā)出指令請求的設(shè)備中。上位機同時可以通過以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控。工業(yè)現(xiàn)場的無線設(shè)備還可以同時與一個帶有藍牙模塊的手持設(shè)備和一個藍牙接入點進行連接，對數(shù)據(jù)進行訪問和采集。
5 小結(jié)
在搭建完整個系統(tǒng)，并對藍牙的通信性能進行檢測的過程中發(fā)現(xiàn)，藍牙模塊由于采用的是信息無線傳輸方式，所以在傳輸過程中干擾較大，傳輸距離也較短。工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備安裝的環(huán)境往往比較惡劣，怎樣使藍牙設(shè)備擁有更好的穩(wěn)定性、更低的功耗、更廣的工作范圍，這些對硬件設(shè)計和軟件優(yōu)化提出了更高的要求。