1、 1 蓝牙技术在工业监控系统中的应用 摘要 :介绍了一种短距离无线通信技术 蓝牙在工业控制系统的应用实例。利用新华龙公司的C8051F020 和第一代蓝牙模块芯片 BCM-05,设计一个蓝牙空气粉尘检测器 ,使之与蓝牙接入设备搭建一套用于工业控制领域的的空气粉尘检测系统 ,同时给出了该蓝牙粉尘检测器的硬件设计和系统的软件框架。 关键词 :蓝牙 ， 粉尘传感器 ， C8051F020 A pplication of Bluetooth Technology inIndustrial Control System Abstract:Anapplication example of Bluetoot
2、h is proposedin the industrial control system.A Bluetooth air dustdetectoris designed by using the C8051F020 and the Bluetooth chip BCM-05. It can be used to detect the dustin the air with Bluetooth access device.The hardware and the software designs of the embedded device are proposed. Keywords:Blu
3、etooth,dustsensor,C8051F020 引 言 目前 ,蓝牙技术已臻于完善。在局部范围内 ,蓝牙通信具有可靠性、安全性及容错能力强等优点。这些优点使得蓝牙技术在民用市场上的应用也越来越广泛 ,手机周边配件就是它的一个典型且成熟的应用。在恶劣环境下 ,工业现场设备具有布线难及维修不方便等诸多缺点 ,把蓝牙技术应用于这些工业现场环境中将可以发挥蓝牙通信的优势而解决环境恶劣情况下的诸多不便。因此 ,近年来越来越多的蓝牙设备也开始应用于工业无线领域。本文设计的蓝牙粉尘检测器就是蓝牙技术在工业无线检测系统中的一个应用实例。 1 芯片的选择和特点简介 目前 ,嵌入式系统 芯片众多 ,主要有
4、 51 系列、 ARM 系列及 DSP 系列。后两者现在越来越有取代前者的趋势 ,但考虑到作者学校主要在 51系列芯片上教学 ,做过开发 ,且目前 C51系列仍有不少市场 ,因此本文芯片选用 C51 系列。新华龙公司出产的 C8051F020 是 C51 系列片子中用得比较广的一款 ,此芯片主要特点有 :高速、流水线结构的 8051、兼容的 CIP-51、内核 (25MIPS)；全速、非侵入式 (不占用片内资源 )的在系统调试接口 (片内 )；64KB 可在系统编程的 FLASH 存储器 ,这对一般应用而言 ,容量基本足够 ；4352(4KB+256)字节 的片内 RAM；可寻址 64KB 地
5、址空间的外部数据存储器接口 ；接口丰富 ,具有硬件实现的 SPI、 SMBus/I2C 和两个 UART 串行接口 ；5 个通用的 16 位定时器 ；片内看门狗定时器、 VDD 监视器和温度传感器 ；同 时内部集成的转换器也具有一定精度 ,处理器内部自带两个 12 位的 D/A 转换器和一个 8 位的 A/D 转换器 ,8位的 A/D有 8个外部的输入端 ,最大的可编程采样速率为 500ksps；具有 6个捕捉 /比较模块的可编陕西科技大学毕业论文 2 程计数器 /定时器阵列。 2 系统硬件设计 1-2 2.1 系统硬件结构 本系统硬件结构比较简单 ,主要由电源部分 、单片机拓展部分及串行通信
6、接口部分 (包括传感器和蓝牙部分 )组成 ,如图 1所示。 图 1 设备的硬件结构示意图 2.2 电源模块部分设计 本文在设计该设备的时候 ,考虑到蓝牙接入设备的可移动性 ,电源部分采用有源供电和电池供电两种方式 ,电压适配器采用普通的直流供电输入范围在 3.7 7V 之间 ,电池则采用普通的 Li 电池。因此本文采用了 MAX1555 来实现电池充电功能 ,该芯片具有两种充电模式 ,这里用的是交流适配器供电模式 ,该芯片不管在有没有电池的情况下都能提供标准的 4.2V 电压。同时采用 MAX8881 芯片将 4.2V 电压转换为标准的 3.3V,采用 MAX1615芯片将 4.2V电压转换为
7、标准的 5V,从而给芯片供电 ；MAX8881及 MAX1615给负载提供的总共是 230mA 的电流 ,而交流适配器充电电流在 350mA 左右 ,系统平均负载电流小于充电电流 ,电池在使用的同时仍然会被充电。为了增强设备的电源抗干扰能力 ,设计时在每级电源的前后级都加上滤波电路来减少外部干扰和前级电源的影响。电路设计如图 2所示。 图 2 电源模块电路原理图 2.3 单片机拓展部分电路设计 晶振时钟电路 ,本文设计的是由外部电路提供 ,采用晶体振荡器和两个负 载电容 ,电容的大小取决 3 于晶体的频率和输入阻抗等参数。 JTAG 接口电路 :C8051F020 在进行调试或下 载时支持在线
8、操作 ,所用的下载调试口为通用的 10 针标准 JTAG 接口 ,此接口可以与电脑中的并性数据接口连接通过 JTAG 和并口建立测试设备与电脑中与开发环境的连接。 JTAG 口在线调试支持断点调试 ,支持寄存器和内存值显示等一系列先进的调试方法 ,大大方便了用户的软件调试和代码下载工作。在进行 JTAG硬件原理图设计的时候 ,设计方法按照通用的 JTAG连接方法 ,其中 TDI,TDO为 JTAG的数据输入、输出线 ,TCK 为时钟 脉冲端口 ,TMS 为模式选择端口。传感器部分设计 :本文采用的传感器是韩国SYHITECH 公司的 DSM501 粉尘传感器。该产品的主要特点有 :采用粒子计数
9、原理 ；灵敏度高 ,可检测直径1m 以上的粉尘粒子 ；检测模式多样 ,检测粒子最小直径的大小可调 ；内置加热器可实现自动吸入空气 ；尺寸小 ,重量轻 ,易安装等。值得说明的是 ,器件管脚中 ,输出脚 Vout2 为普通输出脚位 ,灵敏度已预设定 ,最小粒子检出能力为 1m； 输出脚 Vout1 为可调输出脚位 ,灵敏度可通过控制脚来调整 ,默认为 Vout2的 2.5 倍 ,即最小粒子检出能力为 2.5m； 控制脚 :通过在此脚与 GND 之间加一个电阻可调整 Vout1 的最小粒子检出水平 ,调整电阻值可调整 Vout1 的灵敏度。工作电压采用电源模块输出的 5V 标准电压 ,同时电源管脚处
10、加上一个 0.1F 的旁路电容来减小电源的干扰。 2.4 蓝牙电路设计 蓝牙接入设备选用以 Bluecore02 为内核的蓝牙芯片 ,型号 :BCM-05,此蓝牙芯片体积小 ,功耗低 ,满足蓝牙 1.1 规范 ,提供了多种通信接口 ,如 USB 口、 UART 口、 I2C 口以及语音接口。其主要参数为 :(1)通用串口 (UART)波特率为 38400bps；(2)工作电压为 3.3V。 在电路设计时 ,C8051F020微处理器的串行口与蓝牙芯片的 UART口相连接 ,通过串口实现蓝牙模块的初始化及数据通信。对于蓝牙电路部分 ,需要特别注意的是对蓝牙芯片的供电电压不能正负极颠倒 ,否则容易
11、烧毁蓝牙芯片。 3 驱动设计及软件架构 2-4 该设备是通过 UART 口来开发蓝牙无线通信的相关应用 ,而 UART 口提供到 HCI 传输层的物理连接是高层与物理模块进行通信的通道 ,所以蓝牙接口驱动实际上就是解决蓝牙串行接口 (UART)驱动问题。UART 口驱动程序主要包含 C8051F020 微处理器的串口 (与蓝 牙的 UART 相接 )初始化、蓝牙通信参数设定、 HCI 指令封装、数据信息处理等部分 ,主要函数功能描述如下 : (1)串行口初始化函数 ,主要设定其串口波特率为 38,400bps,数据格式为一个起始位、 8个数据位、1 个停止位 ,同时对串口作相应的处理 ； (2)蓝牙数据参数设定函数 ,此函数主要完成蓝牙模块初始化以及蓝牙数据格式的打包 ； (3)数据信息处理函数 ,此函数主要实现蓝牙初始化时返回数据的处理 ,通过判断这些返回的信息来确定蓝牙模块的状态 ； (4)串口读写数据函数 ,此函数就是串口发送和接收数据的实现。粉尘检测器通过普 通 IO 口和 CPU 进行数据交换。 相关的软件代码为
