基于蓝牙通信技术的嵌入式工业控制系统的开发

0 引言 对于大部分企业，工业现场的数据采集与处理一直是个难
以解决的问题，对 于 小 型 控 制 应 用 目 前 还 只 是 数 字 仪 表，而 且 生产厂家众多，各 种 机 型 互 不 兼 容，封 闭、扩 展 能 力 差，智 能 化 程度低，实时性能差［1］。而随着嵌入式系统功能不断完善以及 市场的不断扩大，采用图形显示设备的用户不断增加。为了解 决传统工业控制 器 非 智 能 化、扩 展 性 和 兼 容 性 差、产 品 的 功 能 过分依赖于硬件的缺点，设计了一个模块化的数据采集系统和 基于嵌入式的图形化操作组态软件。控制系统将模块化的灵 活性与嵌入式的高效性充分结合起来，并采用蓝牙通信技术实 现数据传输，充分 降 低 了 工 业 控 制 过 程 中 的 成 本，并 且 尽 可 能 的提高控制的精度，使整个系统稳定的工作。该控制系统的特 点： 可装配的模块数据采集和数据输出； 蓝牙数据传输技术； 可 视化操作的人机交互界面； 具有组态软件功能。 1 系统完整的结构框架
收稿日期： 2013 － 12 － 13 收修改稿日期： 2014 － 11 － 08
图 1 控制系统流程图
第1 期
陈曦等： 基于蓝牙通信技术的嵌入式工业控制系统的开发
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ75
2 系统的硬件设计 2． 1 系统的硬件平台
硬件平台以 AＲM9 作为主控制器，CPU 采用 S3C2440 处理 器，S3C2440 是基于 AＲM9 架构的处理器，该处理器具有高性 能、低 功 耗 的 优 点，运 行 主 频 400 MHz，最 高 可 达 533 MHz． AＲM9 的核心板包括： 两片在板 32M SDＲAM，最高时钟频率可 达 100 MHz； 两种 Flash 存储系统，一种是 Nand Flash，大小为 256M，有 8 － bit 的数据总线而不具有地址线，与 CPU 通过专门 的接口进 行 连 接； 还 有 一 种 是 NOＲ Flash，大 小 为 2Mbyte，与 CPU 通过 22 条地址总线和 16 条数据总线进行连接。AＲM9 的 底板资源包括： 一个 7 寸的 LCD 显示屏和一个触摸屏为用户提 供一个良好的人机交互平台； 除了常见的标准接还从 CPU 引出 了 GPIO、SPI 系统总线接口等外设和接口。AＲM9 的资源丰富， 扩展性强，为系 统 开 发 提 供 了 一 个 方 便、良 好 的 硬 件 平 台。 硬 件平台架构如图 2 所示。
传统的工业数据传输系统通常以 ＲS485、ＲS232 等有线方 式构建通信链路，这 种 数 据 传 输 方 式 需 要 铺 设 电 缆，灵 活 性 较 差，使用和操作 起 来 并 不 方 便［2］。而 在 无 线 通 信 技 术 中，蓝 牙 技术是一种新兴 的 无 线 通 信 技 术，具 有 成 本 低、传 输 速 率 比 较 高、抗干扰能力 强、组 网 灵 活 等 特 点。其 局 限 性 是 传 输 距 离 有 限，但是增加了射 频 前 端 功 放 后，蓝 牙 设 备 的 传 输 距 离 最 远 可 达 100 m，克服了传输距离的局限性，完全能够取代有线通信方 式在工业数据传输市场上占有一席之地［3］。蓝牙数据传输系
波等处理后，再经过 C8051 单片机进行 A / D 转换后通过蓝牙通信技术传输给主控制器进行数据处理并将处理完成的数
据通过总线返回给工业现场。试验证明，该控制系统对数据处理的精度高，速度快，实时性好，可以满足工业现场的应用
需要。
关键词： 模块化数据采集； 蓝牙技术； 嵌入式 Linux； Qt4； AＲM9； 单片机
2015 年 第1 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2015 No. 1
基于蓝牙通信技术的嵌入式工业控制系统的开发
陈 曦，徐 鹏，许晓蕾
（ 河北工业大学控制科学与工程学院，天津 300130）
摘要： 传统的工业控制系统中主要以 PLC 和 DCS 作为控制设备，但是 PLC 和 DCS 的控制成本高、实时性差的缺点使
得它们难以满足飞速发展的现代工业对控制系统的需求。而嵌入式控制系统以其成本低、性能高、实时性好的优势在工
业领域的应用不断扩大，设计了基于嵌入式的工业控制系统，包括模块化的数据采集系统、蓝牙通信系统和以 AＲM9 为主
控制器，在 Linux 操作系统下通过 Qt4 编程完成一款工控 GUI． 模块化的数据采集系统对采集的数据进行放大、线性化、滤
数据采集模块采用的单片机型号为 C8051F021 单片机，该 系列单片 机 是 完 全 集 成 的 混 合 信 号 系 统 级 芯 片 （ System On Chip） ，具有与 MCS － 51 指令集完全兼容的高速 CIP － 51 内核。 单片 机 集 成 了 增 益 放 大 器 PGA、ADC、DAC、电 压 比 较 器、 UAＲT、定时器、可编程计数器 / 定时器阵列 PCA 等，完全满足了 控制系统中数据采集接收，A / D 转换、数据存储以及与 AＲM9 主控制器通讯的要求。C8051F021 具有速度快、性能高等特点， 能确保数据采集与处理的精度和实时性要求。 2． 3 蓝牙数据通信设计
整个控制系统由硬件部分和软件部分组成，硬件部分主要 由即插式的数据采集模块、以 AＲM9 为核心的主控制器的设计 组成。工业现场的数据通过数据采集模块的传感器采集，经过
调理电路将采集 进 来 的 流 量、压 力、温 度 等 信 号 转 换 为 标 准 的 电信号，8051 单片机接受转换的信号进行 A / D 转换并存储，最 后通过蓝牙通信技术将数字信号传输给主控制器处理。
图 4 蓝牙模块与主机 UAＲT 连接
蓝牙通信流程分为 4 个步骤： 对蓝牙模块进行初始化； 选 择需要收发数据的信号节点； 主控制器与单片机蓝牙节点之间 进行配对连接建立通信链路； 连接成功后通过 AT 命令控制主控 制器的数据收发完成数据传输。蓝牙通信流程图如图 5 所示。 3 系统的软件开发 3． 1 系统的内核安装以及开发工具的选择
中图分类号： TP274． 2
文献标志码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2015） 01 － 0074 － 03
Development of Embedded Industrial Control System Based on Bluetooth Communication Technology
CHEN Xi，XU Peng，XU Xiao-lei （ School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）
Abstract： Traditional industrial control system mainly use the PLC and DCS as the control equipment，but the high control cost and bad real time make them difficult to meet the requirements for the control system of the development of modern industry． However，the embedded control system is widely applied in industrial field as its low cost，high performance and good real － time performance advantages． We designed an industrial control system based on embedded system，including data acquisition system， communication system based on Bluetooth module，and with AＲM9 as the main controller completed an industrial GUI through Qt4 programming under Linux operating system． The data collected data were amplified，linearized，and filtered by the acquisition system of modular，then after A / D conversion of C8051，transferred through the bluetooth communication technology to the main controller for data processing and the processed data get back to the industrial field through bus． Tests prove that the software for data processing is of high precision，fast speed，good real － time performance and can meet the requirements of industrial application． Key words： modular data acquisition； bluetooth technology； embedded linux； Qt4； AＲM9； microcontroller
统由主控制器 AＲM9、单片机智能节点、蓝牙通信链路三大部分 组成。分别在 8051 单片机和 AＲM 上安装蓝牙模块，单片机节 点将 A /D 转换后的数据通过蓝牙无线链路上传给主控制器 AＲM 进行进一步处理。蓝牙传输系统结构图如图 3 所示。
图 3 蓝牙传输系统结构图
采用 DFBM － CS120 嵌入式蓝牙模块，该模块最大传输速 率可达 721 kb / s； 支持头戴耳机、拨号网络、免提、串行端口、对 象交换、文件传输和同步共七种工作模式； 拥有全双工 UAＲT （ 通用异步收发器） 接口和射频信号输出，UAＲT 接口由 TXD、 ＲXD、ＲTS 和 CTS 组成，发射器和接收器均提供了数据并转串 / 串转并的功能，对于主机而言，UAＲT 就像一个 8 位的输入和输 出端口，主 机 可 以 对 其 进 行 读 写 操 作［4］。UAＲT 口 是 TTL 电 平，蓝牙模块可以直接与单片机和 AＲM 上的 UAＲT 连接，不需 要调整电压。用户通过 UAＲT 对蓝牙模块发送 AT 命令进行控 制操作并将数据通过天线射频信号传输出去。UAＲT 传输类型 降低了连接成本和复杂性。蓝牙模块与主机 UAＲT 连接如图 4 所示。
图 2 系统硬件平台架构图
2． 2 模块化数据采集系统 数据采集模块应用于数据传输的工业模块应用领域，数据
采集模块按不同的数据类型分类包括电信号采集模块、温度采 集模块、压力采集模块以及流量采集模块。由于各模块之间是 相互独立的，即插即用，所以可以对采集模块进行充分的扩展， 完全体现出了模块化思想的灵活性运用。每个采集模块对应 一个相同型号的 单 片 机，结 构 统 一，并 采 用 统 一 的 通 信 方 式 即 蓝牙技术进行通信，这种设计思想可以根据实际情况而随时更 改采集模块的数量和类型，操作起来灵活、方便。
软件部分包括单片机蓝牙数据节点软件设计和 Linux 操作 系统下通过 C + + GUI Qt4 编程来完成一款可视化图形操作的 组态软件，并将交 叉 编 译 完 的 可 执 行 文 件 移 植 到 主 控 制 器 中 ， 主控制器通过可视化图形操作将传输进来的数据进行运算、储 存、显示以及输出，最后反馈给工业现场，从而达到闭环控制目 的。整个控制系统框图如图 1 所示。