工业控制现场数据传输中蓝牙技术的应用研究

1 前言

传统的测试系统采用线缆进行信息的传输，但繁琐的布线会带来诸多不便，特别是某些应用场合，不允许布线或无法布线。比如，由于上业控制现场通常环境恶劣，高温、潮湿、振动、电网干扰严重，特别是存在电磁和无线电干扰环境中，要}s时间、连续、可靠、完整地传送数据，就需要对线路进行电磁屏蔽和物理保护;在有的上业环境中，如运动或旋转的设备中，走线十分不方便。为了解决这些问题，宜采用无线方式进行信息传输。寻找一种短距离无线传输技术来解决上业控制现场的问题，成为了一种需要。

2 方案的选择

无线接入技术的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同的应用，使得无线接入技术出现了百家争鸣的局而，各种技术4.相竞争又4.相补充。表1列出了儿种现有常见的无线接入技术的卞要特性和指标的比较。



通过比较分析可以看一出，各种标准都是根据不同的使用场合、不同的用户需求而制定的，应视实际需求选择合适的标准。在上业控制现场线缆替换领域，蓝牙是最合适的选择。

2 蓝牙通信原理及协议层次结构

蓝牙技术规定了4种物理接口通用串行总线USBEIA-232 ,PC卡及通用异步收发器UART接口。1个蓝牙系统一般由射频单元链路控制单元链路管理和单元组成。蓝牙无线射频单元的指标是遵循关国联邦通信委员会((FCC)有关电平为0 dB的ISM频段的标准设计的，蓝牙运行的频段为2.4 GHz。系统采用跳频和扩展频谱技术，跳频速率为1 600h/s，在建立链接时，提高为3200h/s，这使得蓝牙技术更为可靠。在2.4 GHz和2. 48 GHz之间，采用79个间隔为1 MHz的频点实现。蓝牙链路管理单元负责链路的建立、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。蓝牙链路管理单元能够发现远端其他蓝牙链路管理单元并通过链路管理器协议与之通信。蓝牙链路管理单元提供发送和接收数据、设备号请求(查询和报告设备ID最大}s度可达16位)、链路地址查询、建立链接、鉴权、链路模式协商与建立(如数据模式或语音/数据模式)、决定帧的类别及功耗模式设置等服务。

蓝牙( BlueLooLh)通信协议采用层次结构，各种蓝牙设备论在任何地方，都可以通过人上或自动查询来发现其他蓝牙设备，从而构成卞从网络(piconeL)或分散网络( scaLLerneL)实现系统提供的各种功能。蓝牙的软件(协议)单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。其协议栈如图1所示:



(1)核心协议:它是蓝才协议的关键部分。包括基带部分协议Baseband和其他低层链路功能的基带/链路控制协议;用于链路的建立、安全和控制的链路管理器协议LMP;描述卞机控制器接口的HCI协议;支持高层协议复用、帧的组装和拆分的逻辑链路控制和分配协议L2CAP;发现蓝才设备提供服务的SDP协议等;(2)电缆替代协议RFCOMM:它是一种仿真协议，在蓝才基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为上层协议提供服务;(3)电话控制协议TCS:它是而向比特的协议，定义蓝牙设备间建立数据和话音呼叫的控制信令和处理蓝牙TCS设备群的移动管f}进程;AT-Command控制命令集是定义在多用户模式下控制移动电话、调制解调器和用于仿真的命令集;(4)与IWerne[相关的高层协议:它定义了与IWerne[相关的PPP , UDP ,TCP/IP协议及无线应用协议WAP 除了上述协议层外，规范还定义了卞机控制器接口(HCI)，它为基带控制器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器等提供命令接口。

3 蓝牙无线测控系统设计

蓝牙无线测试系统如图2所示。下位机信号调理电路和数据采集电路有两种设计方式:一是信号调理电路卞要由前置放大器、低通滤波器和信号变换电路组成，数据采集模块由多路选择开关MUX,采样保持器S/H和模数转换器A/D组成;一是信号调理电路与数据采集电路统一由微处理器或嵌入式芯片来处理。



(1)测量前端:被测量可以是工业控制现场的多个量，根据被测环境和对象的不同，来选择相应适合的传感器。传感器是测试系统的前端，用于完成电信号的获得。作为信号输入通道的第一道环y，也是决定整个测试系统性能的关键环y之一。由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样的传感器非常丰富，应根据不同应用场合选择。

(2)信号调理:根据测控系统的实际工作环境需求，对前置放大器要求满足高灵敏度，低噪声和低漂移。为此，本系统可选用仪用放大器。

(3)数据采集:数据采集有诸多性能要求，这里不具体描述。通常考虑成本问题，采用单片机完成的居多，图3给出了一个基于单片机的数据采集电路连线图，该设计可以对11组参数进行测控。当然，这里需对单片机进行软件设计。

(4)蓝牙收发模块:在设备中增添蓝牙功能有四条途径:①连接在设备外部接口USB或RS-232上的硬件适配器;②在芯片级设计中集成蓝牙功能;③在便携式设备中嵌入完整的蓝牙功能模块;④利用便携设备的标准插槽增添蓝牙插卡。上述各种方案具有明显的成本对上ili时间的利弊关系，同时也具有初看并不明显的各自相应的优点和问题。在工业现场控制领域，为了缩短开发时间，y约开发成本，降低开发的风险，通常采用第一种途径，即采用USB或RS-232硬件适配器。这里需选用一个蓝牙技术平台，口前ili场上此类蓝牙芯片已经很多。



(s)上位机软件设计:上位机是测试系统的神经中枢，它使整个系统成为一个智能化的有机整体。它的卞要任务是在软件引导下按照预定程序控制数据采集系统进行数据采集与存储，对采集的数据进行运算分析与处理，并以适当的形式输出、显示、记录和打印等;同时对整个系统进行实时监控和系统的人机交b.功能，使得下位机可以根据前台的控制来测试各项参数。

上位机软件卞要由蓝牙控制模块、数据处理模块、人机界而模块三部分组成，三个模块的卞要功能如下:

(1)蓝牙控制模块:卞要负责本地蓝牙设备的初始化，查找远程蓝牙设备，获得蓝牙设备的各项参数，蓝牙设备间链接的建立和断开以及透明地接收和发送数据等。
(2)数据处理模块:将蓝牙设备传来的串行数据流按通道进行分离，对数据进行格式的转换，并以一定的形式存放到存储单元，以便人机界而模块调用。
(3)人机界而模块:提供图形界而，捕捉用户的控制指令并执行相应的操作，将数据处理模块处理后的数据以一定的形式显示，实现系统的人机交4.功能。