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蓝牙技术

蓝牙传感器系统开发


基于蓝牙技术的即插即用传感器系统研究与实现

随着控制技术、计算机技术和网络技术的飞速发展,使用单个传感器进行测试的场合越来越少,测控系统由以前单点单参数的测控向多参数的测量和多对象的控制方向转变。网络化的大型测试系统是信息时代测试技术发展的必然趋势。传感器作为信息获取的源头,需要适应网络化这一潮流,使传感器采集的数据在测试现场登临网络,在网络所及处实现数据的传输和发布,实现信息共享。网络化智能传感器使传感器由单一测量向多功能测量方向发展,由单纯的测量向测量和处理相结合的方向发展,从单点测量向系统化、网络化发展,由现场测试向异地无线测控网络发展。

一、无线通信与传感器技术

无线通信技术使得信号的连接突破了空间的限制,它的优势不仅体现在移动通信领域,在自动化控制领域,也发挥着越来越大的作用。蓝牙技术是一种提供低成本、近距离的无线通信,构成固定与移动设备通信环境的个人网络,使得近距离内各种信息设备能够实现无缝资源共享。它是一种低功耗的无线技术,作为一种无线数据与语音通信的开放性标准,以它本身的特点,实现了随时随地用无线接口来代替有线电缆连接。蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHz ISM(工业、科学、医学)频段,蓝牙的数据传输速度为1Mb/s。从理论上讲,以2.45GHz ISM频段运行的技术能够使相距30m以内的设备互相连接,传输速度可以达到2Mb/s,但实际上很难达到。应用了蓝牙技术后,一蓝牙设备搜寻到另一个蓝牙设备,马上就可以建立起连接,而无需用户进行任何设置。蓝牙技术的另一个特点就是它应用了全球统一的频率设定,这就消除了“国界”的障碍。为了保证不受到不可预测的干扰,蓝牙技术特别设计了快速确认和调频方案以确保链路稳定、安全。

为了减少传感器配置所用的时间,以及在此过程中面临的风险,IEEE 1451.4为传感器提供了新的标准。该标准建立了一个使传感器具有即插即用功能的通用方法。类似于USB接口鼠标与电脑间具有的即插即用功能一样,IEEE 1451.4定义了一个为模拟接口传感器附加自我描述功能的机制。这种混合模式的接口包括两部分:传统模拟传感器信号通道,以及一个用来获取嵌入在传感器内的电子数据表(TEDS)的低成本数字通道。传感器通过电子数据表来向与其连接的系统提供识别信息并进行自我描述。

二、基于蓝牙技术的即插即用传感器测量系统

基于蓝牙技术的无线网络化即插即用传感器测量系统主要由传感器模块、识别模块、信号调理电路模块、A/D转换模块、微处理器模块、蓝牙无线传输模块、上位机模块组成,如图1所示。

图 1 传感器系统结构示意图

该测量系统的工作过程如下:①取识别模块的信息,用以辨识当前与系统连接的传感器;②DSP根据识别模块的信息对调理电路进行适当配置;③传感器输出的信号经过A/D转换后送入DSP;④DSP通过蓝牙模块将数据传输至上位机。若更换不同的传感器,只需将DSP复位,系统即可再次根据当前传感器单元的需要对电路进行配置,毋需人工干涉,从而实现了传感器的即插即用。

三、蓝牙传感器测量系统的硬件设计

即插即用传感器测量系统在硬件设计方面,主要由以下几个部分组成(如图2所示):①传感器单元:传统模拟传感器、识别模块(TEDS);②供电单元;③信号调理单元;④A/D转换及接口。

图 2 即插即用传感器系统结构图

蓝牙无线连接硬件设计的主要工作是实现各个器件之间的接口连接(如图3所示):①DSP和蓝牙模块之间的接口;②蓝牙模块和主机之间的接口。

图 3 蓝牙无线传输接口 结构图

采用了Honeywell的24PCCFA6D型硅压阻压力传感器来说明即插即用传感器测量系统的建立和测量过程。压阻式传感器使用半导体材料制成,对温度很敏感,误差较大。因此,压阻式传感器必须要有解决温度误差的补偿措施。可以通过适当改变外部调理电路和电桥的电源来实现,经过综合比较,采用恒流源作为供桥电源的措施可以达到较佳的使用状态。此外,对于一般的压力传感器都应设置零点偏置。通过在桥臂两端并联电阻的方式,适当地调整桥臂电阻的阻值,使得传感器的零点偏置为零。

识别模块由一个内存芯片构成,在它内部存储了标准格式的TEDS。TEDS里储存的是一些重要的传感器信息和参数,可以进行自我辨认和自我描述。在设置系统时,可以消除输入数据可能出现的人为错误。本系统采用了芯片DS2430A,来存储用以配置传感器的TEDS信息。12Wire总线系统由一个总线控制单元和一个或多个从单元组成。DS2430A总是作为从设备,总线控制单元一般应用微处理器。12Wire总线只有一根数据线,因此使总线上的各个设备能在适当的时间驱动总线是十分主要的。为了实现这一点,与12Wire总线相连接的每一个设备都必须是漏极开路或是三态输出的。DS2430A的12Wire端口是漏极开路的,DS2430A以12Wire的常规速度16.3kb/s进行通信,并且需要一个上拉电阻,最佳的上拉电阻范围在1.5~5kΩ之间,具体取值决定于12Wire通信速度以及总线特性。在试验中,取上拉电阻2.2kΩ,VPUP为5.0V,设备工作正常。

基于IEEE P1451.4的即插即用传感器的独特之处在于它保留了传感器的模拟输出。因此,可以与包含传统模拟接口的系统相兼容。此外,IEEE P1451.4为嵌入即插即用传感器中的TEDS数据定义了一种标准格式,它包含以下信息:制造商、型号、以及传感器的序列号。大多数TEDS还描述了被激励传感器的主要特征,如量程、灵敏度、温度系数等。换言之,TEDS中涵盖了使用传感器进行正确测量的全部所需信息。IEEE P141.4标准还定义了两类混合模式接口:两线接口和多线接口。两线接口,用以在单一的线对上实现模拟信号和数字化TEDS信号的复用。多线接口,是把模拟部分和数字部分分离开,在传感器的模拟输入/输出保持不变的基础上,把数字化TEDS并行添加到电路上。这样做实质上就可以实现传感器或激励器包括热电偶、热敏电阻等的即插即用。多线接口具有更普遍通用性。

信号调理单元主要负责的是信号的采集和处理。本系统使用的压力传感器的满量程输出小于100mV,为了保证高的测量精度,首先要求电路的噪声是低的,此外,还可以采用恰当的屏蔽、隔离,合理的布线与接地,数据处理,选用低噪声的元器件,设置滤波电路等方法,以进一步减小噪声的影响。通过传感器放大电路输出的是对应被测压力的模拟信号,为了能通过DSP进行各种处理,需要进行模/数转换。根据传感器本身的精度以及考虑到实时性、性价比等因素,选择了Maxim公司的模数转换器MAX1065。为了能实现传感器的即插即用,调理电路中参数的自动配置显得至关重要。在本系统中通过多个非易失调节电位器DS1804,来实现对调理电路的程序化控制。在硬件连接中,把所有数字电位器的INC和U/D分别连到DSP的PB4和PB5上,而把选通信号CS接到其他几个GPIO口上,通过CS的状态来决定当前所要操纵的数字电位器。

DSP作为整个系统的核心(参看图1),采用的是摩托罗拉公司的DSP56311,它要对来自各个方面的信息作最终的判断和控制,因此接收信号发出判断都需要经过它的以下接口:外部存储器接口(PORTA)、串行接口(SCI)和通用输入输出接口(GPIO)。外部存储器接口是DSP的特点之一,它可以方便地访问DSP的各个外设,扩展内存映射I/O口,通过PORTA的地址分配器可以指定外设的地址单元,通过访问该地址空间,实现对外设的数据读取和控制。对于A/D的控制信号,主要有CS,R/C,EOC这3个管脚分别接到DSP的GPIO口上。然后通过适当的软件编程实现MAX1065与DSP间的通信。

蓝牙模块和DSP的连接是通过DSP的串行接口(SCI)实现的。根据DSP接口的情况,选择蓝牙模块的RS232连接方式。因此需要对DSP的SCI的状态寄存器进行设置,使它工作在RS232的串行工作状态下。由于蓝牙的串口线比DSP的串口线多了两个流量控制信号:RTS和CTS,为了用DSP控制蓝牙模块使其能正常工作,需要把这两个信号再引出来,分别与一个输入和输出接口连接,根据具体情况,可以有两种处理方法:

①如果数据的发送量需要有流量控制,则需要接收或发送这两个流量信号,达到对数据流量的控制,可以把这两个信号接到DSP的GPIO,通过读取和发送这两个信号,来达到对串口数据流量的控制。

②如果在系统中无须对流量做控制,则可以采用一个电阻直接把这两个信号相连接,形成自握手。DSP发出的信号都是TTL信号,所以在与蓝牙模块进行数据传输前,需要把它转化成RS2232电平,可以用MAX3232E进行电平转换。

四、传感器测量系统的蓝牙软件设计

基于硬件结构的设计搭建起来的测试系统的结构,需要通过DSP的软件算法和上位机的软件设计来实现测试系统的功能。对于DSP的软件算法需要实现以下几个功能:读取标准化TEDS,控制并调整各个数字电位器,传感器信号的采集和计算,对蓝牙模块的接口控制设计。上位机软件的设计是为了达到对主蓝牙单元的控制以及显示最终测量结果。

在系统中DS2430A的主要作用是向微处理器提供储存在其内部的TEDS。要实现与DS2430A的通信,核心是掌握好12Wire器件信号收发时序的问题。本系统使用的是金瓯公司的蓝牙开发模块,只需对该模块进行软件开发,为了便于蓝牙模块和DSP之间连接,采用的是RS2232串口。蓝牙的通信有主从之分,从蓝牙设备是由DSP的串口控制和连接的。主蓝牙设备和计算机相连,所以可以用蓝牙开发控件直接进行开发。蓝牙的通信有两个过程:蓝牙初始化过程和蓝牙通信过程。蓝牙初始化主要是对蓝牙模块的各项参数进行设置,对于主蓝牙模块来说准备进行数据传输时,要先搜索周边蓝牙的设备,找到从蓝牙设备后(此时从蓝牙模块已经完成了初始化的过程),主从蓝牙设备进行链接,链接成功后,就可以进行数据传输了,当数据传输结束后断开链接。DSP串口发出一条指令,蓝牙模块都会返回一个状态指令,表示这条指令执行后的状态,根据这条返回状态指令,再进行下一步操作。

总结

本研究通过DSP对嵌入在传感器内部的TEDS信息的采集,实现了对传感器的识别。经过理论分析,硬件的设计调试,以及对DSP的编程,实现了传感器的即插即用。并将无线通信技术应用于网络化传感器,使得信号的连接突破了空间的限制,无线通信技术应用的扩展,给测量领域提供了更多新的选择。在工业现场中,短程的无线连接有着广泛的应用需求,将蓝牙技术应用于工业现场,使用微波取代红外,既克服了红外的缺点,又降低了成本。

此外,可以进一步应用蓝牙技术,实现无线网络式的现场总线,组成大规模的测试系统,这些问题在国外已经在研究,其应用前景看好,也有待于进一步开展相应的研究。

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