基于ARM7的蓝牙接入点的硬件系统结构和软件流程

1引言

在工业现场中，由于有些环境比较恶劣，布线不方便等因素可以采用蓝牙无线通信技术来实现数据的通信。同时，工业现场中有很多以不同方式互连的设备，其中包括非智能化简单数据连接单元 (I/O)、智能化设备 (比如智能传感器、单回路控制器和 PLC)和监控系统 (作为 HMI使用，用于数据记录和监控 )等。这些设备大都是以各种不同的通信协议和媒介来互连的，其中有些就可以用蓝牙无线技术代替。本文以 AT91R40008为例，结合 BCM04蓝牙模块开发了基于蓝牙通信的工业接入点，组建了基于蓝牙通信的阀门、流量计、温度变送器测试系统，实现了带有蓝牙通信模块的工业设备和现有的有线网路的通信。

2蓝牙技术简介

蓝牙（bluetooth）是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙模块而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟 1兆字节。同时，蓝牙支持设备短距离通信（一般是 10m之内）。能在包括移动电话、 PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙的标准是 IEEE802.15，工作在 2.4GHZ频带，带宽为 1Mb/s。

蓝牙技术在工业现场上的应用大致可以分为四个方面：

(1) 代替串行线缆。无线蓝牙连接可以代替当前的串行线缆。
(2) 结合蓝牙和互联网技术。利用蓝牙带来的 CPU处理能力，给设备添加更多功能，如内置的 WEB用户接口。
(3) 工业接入点。通过接入点将数个蓝牙设备连接到传统的有线网络中，比如 IP网络(如以太网)或者工业现场总线网络(如 Controlnet和 Profibus等)。
(4) 无线传感器和起动器。利用蓝牙来将与物理制程关系昀密切的设备 (传感器、起动器和简单的模拟 /数字 IO设备)连接到监控系统。

3 蓝牙接入点的系统设计

在工业现场中使用无线通信技术。这就要求工业设备使用蓝牙功能，并能和现有的以太网或者工业现场总线网络相连。在这里，蓝牙接入点就好像一个 "电话交换机"，通过以太网供电设备和上位机进行通信，以及通过无线方式和工业现场设备进行数据交换，实现上位机对现场设备的数据采集、监测和控制。本文将蓝牙接入点的系统设计分为硬件体系结构和软件设计两个部分。下面将对这两部分进行具体说明。

3.1 硬件体系结构

该蓝牙接入点包含了微处理器（ AT91R40008）、存储器、蓝牙通信模块、网络通信接口、串口通信等重要组成部分。在该设计中，电源使用了以太网供电设备，该设备除了用于网口通信，还提供设计中所需要的电源。该电源经过电平转换，为微处理器、存储器、蓝牙通信模块等提供所需的 +3.3V和+1.8V电源。 32位的微处理器 AT91R40008通过串口 0和串口 1与串口通信部分和蓝牙模块进行数据交换。图 1为蓝牙接入点的硬件框图。下面就其具体原理进行说明。


3.1.1 微处理器 AT91R40008

AT91R40008是 Atmel AT9116的 32位的微控制器系列产品。它以 ARM7TDMI 处理器内核为基础。该处理器有一个高性能 32位精简指令系统和一个高密度 16位的指令系统，同时具有较低的能耗。AT91R40008具有片上的 SRAM或 ROM、完全可编成的外部总线接口（EBI）、32个可编程的 I/O口、8个优先级、4个外部中断、2个 USART及 16位的定时器/计数器等特点。除此之外，在内部寄存器实现对异常情况的快速处理，可以方便的进行即时控制和应用编程。

AT91R40008以与外部存储器的直联为特色,由外部 FLASH，经过完全可编程外部总线接口 (EBI)、一个八位优先向量中断控制器,，及外部数据控制器，大大提高了处理器的即时性能。 AT91R40008使用 Atmel的高密度 CMOS技术， ARM7TDMI 处理器内核结合了片上高速存储器及其外部设备，使其具有非常强大的功能。
微处理器部分的设计包含系统硬件的启动与复位，地址总线、数据总线的分配和定义，通过串行线对蓝牙模块的读写等。

系统由外部的 50M钟振作为时钟源向 cpu输入时钟信号。复位电路由 10uF的电容、10K的电阻及按键组成低电平复位电路。该复位电路可实现上电低电平自动复位或者手动复位。AT91R40008内部 ROM为 128K，外部昀大可扩 64M的存储器，由于设计需要，在设计中扩展了一片 2M字节的 SST36VF160对大量的软件程序进行存储。由于 AT91R40008内部包含的 SRAM已达 256K，对于数据存储已够用了，所以在外部没有进行 RAM的扩展。网卡芯片 AX88796通过片选线、中断线、读写信号控制线和地址数据总线和 cpu相连，实现蓝牙接入点和上位机的网络通信。AT91R40008通过串口 1实现与蓝牙模块的数据交换，通过串口 0实现和上位机之间的串口调试。

3.1.2 FLASH存储器 SST36VF160

由于该系统是应用与工业现场以太网中，在软件中必须加入相应的以太网规范标准，所以在系统设计中，在 cpu的外部拓展了 2M字节的 FLASH。SST39VF160是一个 1M×16的 CMOS多功能 FLASH器件，由 SST特有的高性能的 SupeRFlash技术制造而成。 SST39VF160功耗较低，工作电压为 3.3V，具有高性能的编程功能，字编程时间为 14us。基于 SST39F160的这些优点选用这款 FLASH，在实践中证明这款 FLASH能够更方便和更低成本的满足程序配置和数据存储的要求。

3.1.3 蓝牙模块

BCM04是满足自适应的可进行数据交换和语音通信的蓝牙通信模块。其体积小，为 17.5×15.0×2.3mm；工
作电压为 1.8V，功耗较低；以 UART为主接口，另有语音接口、 SPI接口、 PIO口等，其结构框图如图 2所示； BCM04内部集成了 16Kbits的 EEPROM和 4Mbits的 FLASH/ROM，具有丰富的存储器资源。