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蓝牙技术在智能测试系统中的应用

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:125

  作者:姚钦 肖明清单位:空军工程大学工程学院
  前言
  现代测量技术的发展对测试系统的移动性、通用性、互连性要求的空前提高,测试设备的小型化、低成本、便携式、易于互连已经成为一个重要的发展方向。现在一种新的开放性的无线通信标准——蓝牙技术的出现及成熟应用,为上述问题提供了解决方案。
  1. 蓝牙技术简介
  1.1蓝牙技术及其特点
  蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。除此之外,蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。
  蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dBm的基础上的。空中接口遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。如果全球电平达到100mW以上,可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为2.402 GHz,终止频率为2.480 GHz,间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。最大的跳频速率为1660跳/秒。理想的连接范围为10厘米--10米,但是通过增大发送电平可以将距离延长至100米。
  主要特点
  1.1.1功耗低、携带方便
  蓝牙是一种低功耗无线技术,对人体危害小。可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接,便于携带,减少测试反应时间。移植性很强,可应用于多种通信场合,可以灵活实现漫游。易于外场测试设备的使用。
  1.1.2组网灵活性强
  设备和设备之间是平等的,无严格意义上的主设备,这使得测试设备与被测设备之间、被测设备与被测设备之间以及测试设备与测试设备之间数据交换更加便利灵活。因此甚至被测设备也能发出测试请求,从而为测试系统的智能化提供了更可靠的保障依据,特别对于多传感器数据融合测试系统具有更广泛的实用意义。
  1.1.3鉴权和保密
  蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。
  鉴权基于"请求-响应"运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分,它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域,比如只允许自己的测试设备与被测试设备进行数据交换。
  加密被用来保护连接中的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。
  1.1.4抗外场恶劣条件能力强
  由于蓝牙技术的初衷就是为移动设备提供数据传输服务,因此各个厂家已充分考虑到了现场条件的复杂性,因此提供的芯片及设备均具有较大外场适应能力。例如英国Cambridge Silicon Radio Ltd.(CSR公司)的第2代蓝牙单芯片LSI“BlueCore2”系列。工作温度范围设定到了-40℃~+85℃。而且,最小接收感度也达到了-82dBm的规定值。
  1.1.5抗干扰性好
  一方面由于蓝牙使用的ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带,会遇到各种各样的干扰源,所以蓝牙采用分组包快确认技术和跳频方案来确保链路与信道的稳定。另一方面蓝牙数据传输机制采用三种纠错方式:1/3率FEC编码方式(即每一数据位重复3次)、冗余2/3率FEC编码方式(即用一个多项式发生器把10位码编码15位码)以及数据自动请求重发方式(即发送方在收到接收方确认消息之前一直重发数据包,直到超时)。
  1.1.6与intermet连接,实现远程测试与控制
  蓝牙技术以可达到的范围内使各种信息化移动便携设备都能实现无缝资源共享,还可通过与intermet连接,通过网络实现对对象的测试与控制,它能够充分利用现有资源和网络带来的种种好处,实现各种资源最有效合理的配置。
  1.2 基于蓝牙技术的各种协议
  图1显示了数据经过无线传输,所有协议之间的相互关系,但在某些应用中这种关系是有变化的,如需控制连接管理器时,可使用逻辑链路控制应用协议(L2CAP)、二元电话控制规范(TCX Binary)或连接管理协议(LMP)。
  整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层(软件模块)和高端应用层三大部分。图1中所示的链路管理层(LM)、基带层(BB)和射频层(RF)属于蓝牙的硬件模块。RF层通过2.4GHz无需授权的ISM频段的微波,实现数据位流的过滤和传输,它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所满足的要求。BB层负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。LM层负责连接的建立和拆除以及链路的安全机制。它们为上层软件模块提供了不同的访问人口,但是两个蓝牙设备之间的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口(HCI)的解释才能进行。也就是说,HCI是蓝牙协议中软硬件之间的接口,它提供了一个调用下层BB、LM状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。HCI层以上的协议实体运行在主机上,而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成,二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。
  中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议(L2CAP,Logical Link Control and Adaptation Protocol)、服务发现协议(SDP,Service Discovery Protocol)、串口仿真协议(RFCOMM)和电信通信协议(TCS,Telephone control Protocol)。L2CAP完成数据拆装、服务质量控制和协议复用等功能,是其他上层协议实现的基础,因此也是蓝牙协议栈的核心部分。SDP为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。RFCOMM依据ETSI标准TS07.10在L2CAP上仿真9针RS232串口的功能。TCS提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令。
  在蓝牙协议栈的最上部是高端应用层(Applications),它对应于各种应用模型的profile。
  2. 智能测试系统的蓝牙解决方案
  2.1测试系统的拓朴结构形式
  测试设备和被测试设备组成一个微微网,其中测试设备作为主节点,被测试设备作为副节点。蓝牙系统采用分散式(Scatter)结构,设备间以主从方式构成微微网(Piconet),支持点对点和点对多点通信。如图2给出系统基本结构示意图。在系统中使用蓝牙技术将设备连接起来的网络称为微微网(Piconet),它由一个主节点(Master Unit)和多个从节点构成。主节点是微微网中用来同步其他节点的蓝牙设备,是连接过程的发起者,最多可与7个从节点同时维持连接。特别蓝牙2.0免除了主设备,使得Piconet里的任何设备都成为主设备,因此在一台设备离开后, Piconet上的其它设备仍可继续进行通讯。如图2中的a、b分别为仅1个从节点(Slave)的微微网和有3 个从节点的微微网。同时一个微微网的主、从节点可以成为另一个微微网的从节点,从而连接组成散射网(Scatternet),如图2中c。
  基于远程测试与控制的需要,应用蓝牙技术的PAN(Personal Area Network,个人局域网),接入局域网实施远程现场测试与控制, 甚至可接到Internet上。PAN中设备可应用几种分布式接入技术,这样能在PAN中开发自组织网的功能。例如一台笔记本电脑可以运用WLAN接口或HiperLAN/2接入到网络。这样测试设备可以受益于设备用的各种接入技术,从而满足远程测试与控制的需要。
  2.2 点对点测试方案的实现
  2.2.1 原理框图
  在点对点的测试方案中,蓝牙装置通过USB连接器、RS232、UART(通用异步收发器)连接到主机上或通过 PCMCIA CARD集成进主设备和从设备中,主从设备相互通过发出GIAC(General Inquiry Access Code 通用查询访问码)和DIAC(Dedicated Inquiry Access Code 专用查询码)唤醒,从而进行数据交换。其硬件基本结构如图3所示。从设备包括传感器单元、信号调理电路、A/D转换电路、设备控制部分(单片机)和一个蓝牙模块,主设备包括主控设备(PC机、笔记本等)和一个蓝牙模块。
  图4是一个蓝牙模块实际应用连接电路,蓝牙模块由Bluetooth Radio(蓝牙射频芯片)和BaseBand controller(基带控制器)组成。本例蓝牙射频芯片采用National Semiconductor公司的LMX3162,基带控制芯片采用LMX5001,如图4。做为主机的笔记本或Pocket现场测试设备在安装相应硬件卡前提下,只需安装有关应用软件就能通过蓝牙无线收发器与从设备进行数据传输。
  其中LNA(low noise amplifier,低噪音放大器)、 BPF(band passed filter,带通滤波器)、LPF(lower passed filter,低通滤波器)、LCI(LINK CONTROLLER INTERFACE,连接控制界面)、PA(Power Amplifier,功放)、T(Tank,振荡回路)、VCO(voltage controlled oscillator,电压控制振荡器)
  2.2.2通信原理
  主设备通过GUI(图形界面),经HCI(主控制器接口)蓝牙模块发出请求连接信号, 如果从设备的蓝牙设备正在监听这些查询,就发送它的地址和时钟信息给主节点。在发送信息后,从节点被唤醒,开始监听来自主节点的消息,同时主节点在寻到从设备之后即建立链接。经过调理的传感器模拟信号经过AD转换后暂存于缓存中,从设备处理器提取出数据后,按传输协议经HCI发送到蓝牙模块。在LMC中,管理软件固化在Firmware(常用芯片为‘ADSP-218x’),它与PAD(Pcked Assenbly and Disassembly)一样控制着连接接口和上层协议。LCI是一个同步串行接口,它包含基本发射和接收信号,通过SYSTICK(中止输出信号)和SYSLOAD(中止输出信号),为发射(TFS)和接收(RFS)制定同步信号,LMX5001 也提供和控制LMC CPU 时钟。TX是输入信号线,它从LMC接受数据发射。RX是输出信号线,它提供数据到LMC。数据在LMX5001进行解码和编码,然而Firmware管理LC和LMC之间编码初始化字和编码流。其中在LC和LMC之间有两条时钟线。16MHZ晶体振荡器从LC输出为LMC CPU提供时钟信号,8HMZ串行时钟在SCLK信号线形成,从LC为LCI接口提供。LMC不要求使用CPU时钟信号。LMX5001为接收和传输数据提供8位的缓冲。8位缓冲区大小在中止输入信号期间,与LCI通信不被限制,因为数据是直接从LMX5001寄存器发送的。
  数据通过TX和RX线与LMX3162进行传输。
  LMX3162发送过程:当发送一个信号时,为确保有效的带宽一个相关的基带信号被送VCO的调谐端口。为获得频率偏差,来至于基带处理器的信号波幅需要被调整,通过一个电阻分配器修正波幅。随着信号波幅的修正,VCO输出端产生被调制信号,输入到LMX3162内部频率放大器输入端,通过TX_OUT 端口输出。
  LMX3162接收过程:LMX3162采用外差接收器的体系结构。天线探测到空中的一些频率,ISM频带上的信号被首先选择和反映。并产生220MHZ信号,这些信号通过陶瓷带选滤波器被滤波。基于敏感性的要求,信号被发送到LNA(可选)进行放大。信号被滤波后就能通过RF输入到LMX3162,经Mixer、SAW Filter、 IF Amplifier、 RC filter等进行混频、放大后的信号通过鉴别器和Tank经正确的相位转换发送给LMX5001。
  2.2.3系统软件设计
  软件设计主要包括三个独立的部分
  在软件设计方面,和许多通信系统一样,蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用,高层视具体应用而有所不同,大体分为计算机背景和非计算机背景两种形式。前者在主机系统下如Microsoft Windows? 98, NT4, NT Embedded and 2000,通过主机控制接口(HCI)实现高、低层联接。后者可把大部分通信协议和系统加载到FLASH RAM中实现各种功能。
  工作流程如图5,主机通过调用WIN32 API实现测试功能,包括向从设备发出测试信号、发出各种命令、接收数据、对数据进行处理和融合、接受从设备发出连接请求以及与其它Piconet的设备进行连接等。主机信号经HCI由固化在Firmware的程序进行控制和处理经蓝牙模块进行空中信息交换。从设备一方面响应和接收来至主机的信号,可根据智能仪器的要求进行传感器信号的管理和控制,同时可适时发出与主机交联的请求。
  主设备系统软件:采用Windows操作系统下包括虚拟仪器程序、图形界面、故障诊断系统、驱动程序、数据库等。
  从设备系统软件:目前SymbianOS是为移动信息设备提供的主流操作系统,该平台支持各种开发选择,包括C++、Java、OPL、WAP等。应用软件包括传感器信号的采集和初步融合、信号的自动监测和与主设备的自动交联、驱动程序。
  FIRMWARE的固化程序:负责处理蓝牙模块与HCI连接的全部管理任务。
  参考文献
  [1] 蓝牙资料大全http://www.cetinet.com/downloadtemp/bluetooth.rar
  [2] Specification of the Bluetooth System-core
  http://www.bluetooth.com.
  [3] Specification of the Bluetooth System-profile
  http://www.bluetooth.com.
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