ARM与上位机的蓝牙通信系统设计

毛江锟，王竹林，尉广军

（军械工程学院 四系，河北 石家庄 050003）

基于ARM的某型导弹装备数据采集系统需要与上位机进行通信，通信中存在的问题是：二者间的通信受战车环境的影响，数据传输不稳定，可靠性低，且连接电缆比较繁琐。近距离无线传输可以解决电缆连接繁琐的问题。其中，IrDA技术要求两个相互通信的设备必须对准，中间不能有障碍物；RFID和NFC的传输距离太短[1]；Wi-Fi的安全性低；UWB的瞬时功率峰值有可能影响其他系统的正常工作；ZigBee的传输速率较低。于是，蓝牙成为解决这个问题的可选方法。目前，已出现了ARM与上位机的蓝牙通信系统，但存在传输距离短（最远10 m）、传输速率低、有障碍物不能传输的问题。笔者采用CSR公司最新一代蓝牙芯片BlueCore5设计蓝牙通信系统，预实现数据传输稳定、传输速率高、可穿越障碍物的目标。该设计对保障装备数据的无线传输有借鉴意义。

1 蓝牙通信系统总体实现方案

本文设计的是一个蓝牙通信系统，用于实现某装备的数据采集系统与上位机的通信。由于数据采集系统是以ARM为CPU做出来的，所以本设计主要是完成ARM与上位机之间的通信。蓝牙通信系统的总体实现方案如图1所示。此系统包括蓝牙芯片、ARM与蓝牙芯片的接口、上位机与蓝牙芯片的接口。当ARM要向上位机传输数据时，通过蓝牙向上位机申请配对，配对成功后，数据采集系统就可以把数据传输到上位机。

图1 蓝牙通信系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of Bluetooth communication system

本系统的蓝牙芯片选用的是CSR公司的BlueCore5蓝牙芯片，它支持蓝牙SIG最新2.1版规范，并支持增强速率EDR；向下兼容V1.1/V1.2/V2.0的蓝牙设备，标称速率是3 Mb/s，实测最高速率可达207 kB/s；它是Class1产品，传输距离在开放空间可达100 m，可穿越多重混凝土墙壁进行蓝牙通信；设备间的配对过程大幅简化，NFC短距离通讯技术可实现特定设备间的自动配对。Bluecore5芯片的这些特点满足了本设计对数据传输的速度、距离、可穿越障碍物的要求[2]。

2 蓝牙通信系统硬件设计

蓝牙通信系统的硬件设计主要有ARM和蓝牙芯片的接口电路、上位机和蓝牙芯片的接口电路。这些硬件用来实现主控制器接口、蓝牙协议的基带、链路控制和无线部分。英国公司CSR的蓝牙芯片BlueCore5是实现本设计的关键部分，ARM与上位机的通信主要是通过它来实现的。

2.1 ARM与蓝牙的接口电路

本设计的ARM选用的是三星公司的S3C2440A,它采用ARM920T内核，整体设计融合了 MMU、AMBA BUS和Harvard结构，具有独立的16 kB指令Cache和16 kB数据Cache。其特点是功耗低、处理速度快等[3]。它是16/32位的RISC体系结构，支持大/小端模式、快速总线模式和同步总线模式，寻址空间是每bank 128 M字节。它的中断控制器有60个中断源，PWM功能的定时器是4通道16位的，拥有全面时钟特性的RTC时钟和24个外部中断端口。它还有4通道的DMA控制器，TFT彩色显示屏，LCD控制器，可以基于DMA模式或中断模式工作的3通道UART，16位看门狗定时器。

蓝牙的关键技术之一是跳频技术，它是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在通信中，无线电收发器按照一定的码序列，不间断的从一个信道“跳”到另一个信道，此时，发射和接受双方是按照这个规律进行的，其他的干扰不会按这个规律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄，但使用扩展频谱技术可以使它变成宽频带，扩展倍数可达百倍，这样，干扰对系统通信的影响就小了[4]。跟相同频段的其他工作系统相比，蓝牙采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证了数据传输的可靠性；它采用前向纠错编码技术，减小了远距离传输时的随机噪声影响；使用2.4 GHz的ISM频段，不需要申请许可证；采用FM调制方式，降低了设备的复杂性，且以时分方式进行全双工通信，基带协议是电路交换和分组交换的组合。

BlueCore5模块采用陶瓷天线、高精度表贴晶振和独立的电源模块、功放IC、带通滤波器，成本比一般蓝牙高，但其稳定性、可靠性、兼容性和通信性能十分出色，能够满足本设计的要求。蓝牙与ARM的接口电路如图2所示，BlueCore5的全双工UART接口与S3C2440A的串行信号口对应连接。其中，S3C2440A的发送端TXD0接BlueCore5的UART口的接收端UART_RX，S3C2440A的接收端 RXD0接 BlueCore5的UART口的发送端UART_TX。

图2 ARM与蓝牙的接口电路Fig.2 Interface circuit of ARM and Bluetooth

2.2 上位机与蓝牙的接口电路

UART是上位机串行通信的重要端口，在上位机中，UART与产生兼容RS232规范信号的电路相连。RS232是EIA电平，逻辑1表示-3～-15 V，逻辑0表示3～15 V。EIA用正负电压来表示逻辑状态，而TTL用高低电平来表示逻辑状态，因此为了同上位机接口进行连接，需要在EIA与TTL电路之间进行电平逻辑关系的变换。MAX232芯片可以实现TTL和EIA电平的双向转换。如图3所示，是设计的蓝牙BlueCore5与上位机的接口电路，在蓝牙BlueCore5与上位机的串行通信口之间连接了一个MAX232芯片，用来实现TTL电平和EIA电平的转换。其中，本地的串口信号发送端UART_TX与远端的串口信号接收端RXD连接，本地串口信号接收端UART_RX与远端串口信号发送端TXD连接，本地的UART_RTS与远端的CTS连接，本地的UART_CTS与远端的RTS连接。

图3 蓝牙与上位机的接口电路Fig.3 Interface circuit of Bluetooth and host computer

3 蓝牙通信系统软件设计

3.1 软件框架设计

蓝牙通信系统的软件部分主要由应用程序，中间层和传输层组成，如图4所示。传输层包括Radio、LMP、基带与链路控制[5]。Radio是蓝牙通信系统的空中接口，Radio的规范规定了蓝牙的发射功率、调制方式、射频频段、跳频频率和接受灵敏度等参数。基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备之间由射频构成物理连接。基带负责管理链路和信道中的安全设置、地址和信道编码、信道控制、收发规则确定、跳频选择、链路类型等功能。LMP用来确定基带数据分组的大小，管理链路连接、身份验证和加密，控制蓝牙的工作模式和在微微网中的状态。

图4 蓝牙通信系统的软件框图Fig.4 Software block diagram of Bluetooth communication system

中间层支持应用层在逻辑链路上的工作，为高层应用协议和程序提供不同的标准接口。中间层包括服务发现协议（SDP）、串口仿真协议（RFCOMM）、逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）。软件设计中用服务发现协议（SDP）获取周边蓝牙设备的服务信息，在蓝牙设备之间建立相应的连接[6]。串口仿真协议（RFCOMM）提供L2CAP协议层之上的模拟串口，在蓝牙基带协议上仿真RS232控制和数据信号。逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）是数据链路层的一部分，位于基带协议层之上，为高层提供数据服务，允许应用层协议和高层协议以64 K字节收发L2CAP数据包，利用基带的ARQ机制确保连接的可靠性，另外，L2CAP仅支持ACL数据包[7]。

应用层包括数据传输程序和对象交换协议（OBEX）。对象交换协议（OBEX）与HTTP协议类似且假设传输层是可靠的，它的模式是客户机/服务器且与传输应用程序接口和传输机制是相互独立的[8]。设计中，OBEX是实现数据传输的重要协议，为数据传输建立对象模型且面向对象和传送过程定义相应的操作方法，最终实现数据的传输。

3.2 数据收发模块设计

应用程序在ARM系统和上位机间建立2个L2CAP信道（数据信道、控制信道），为蓝牙服务和主机数据提供通信接口。应用程序调用下层协议，并创建用户界面。如图5所示，是蓝牙发送数据的流程图，数据接收的流程图与其类似。BlueCore通过主机控制器接口（HCI）与蓝牙设备进行通信，蓝牙设备建立异步无连接链路 （ACL）和同步面向连接链路（SCO），BlueCore5与蓝牙设备建立好异步无连接链路后，数据就可以进行传输了。

图5 蓝牙数据发送流程图Fig.5 Flow chart of sending Bluetooth data

4 实验分析

在战车工作的环境下，将数据采集系统与上位机分别置于不同的情况下，测试其传输数据的能力，测试结果如表1所示。表中的传输速率取的是平均数。没有障碍时，二者之间的通信距离可达100 m而且传输速率在80 m内变化不大；当中间隔着一堵墙时，随着传输距离的加大，传输速率明显变小；二者之间有两堵墙时，速率非常低，随距离增加，速率下降很快，30 m后基本没有速度；当数据采集系统被封闭于金属箱内时，10 m传输速率还是比较大的，距离增大后，速率迅速减小。

实验结果表明，有障碍物的情况下，数据采集系统与上位机在20 m的传输速率满足本设计的要求，并且，在实际测试过程中，固定好二者的位置后，传输速率比较稳定，上下浮动不超过5 kb/s，还有，传输的数据正确无误，可靠性高。

表1 系统测试数据Tab.1 Testing data of the system

5 结束语

本文应用最新的BlueCore5蓝牙芯片设计了ARM与上位机的蓝牙通信系统，解决了原有通信系统易受战车环境影响导致的数据传输不稳定的问题，提高了传输数据的可靠性，使原有系统不再受复杂电缆的束缚。本系统是大功率蓝牙应用于保障装备的一个成功探索，未来，功能更强的4.0技术规范的蓝牙将广泛应用于军事装备中。

[1]李珍香.基于ARM的RFID智能安全管理系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2010，31（12）：2744-2745.LI Zhen-xiang.Design and implementation of intelligent security management system of RFID based on ARM[J].Computer Engineering and Design，2010，31（12）：2744-2745.

[2]马建辉.BlueCore5-MM在车载蓝牙设备中的应用[J].电子设计工程，2009，17（11）：64-65.MA Jian-hui.Application of BlueCore5-MM in bluetooth car device[J].Electronic Design Engineering，2009，17（11）：64-65.

[3]毛江锟,王竹林.基于ARM的某型导弹数据采集系统设计[J].计算技术与自动化，2010，29（4）：36-37.MAO Jiang-kun,WANG Zhu-lin.Design of a missile data acquisition system based on ARM[J].Computing Technology and Automation,2010，29（4）：36-37.

[4]牛相潮.Windows CE下基于蓝牙协议的免提应用实现[D].北京：北京交通大学，2009：2-9.

[5]贺明，周中华.嵌入式蓝牙文件传送方案的实现[J].电子技术应用，2009（12）：102-103.HE Ming，ZHOU Zhong-hua.Implementation of Bluetooth file transmission based on embedded technology[J].Electronic Technology Application,2009（12）：102-103.

[6]顾剑锋.基于ARM的蓝牙数据通讯系统的研究[J].机械工程与自动化，2010（5）：127-129.GU Jian-feng.Research of Bluetooth data communication system based on ARM [J].Mechanical Engineering and Automation，2010（5）：127-129.

[7]张超，顾晓峰.基于蓝牙模块的嵌入式系统设计[J].电子与封装，2009（12）：20-22.ZHANG Chao，GU Xiao-feng.Design of embedded system based on Bluetooth chip[J].Electronics and Packaging，2009（12）：20-22.

[8]马航红.嵌入式系统中蓝牙文件传输应用的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2008：7-11.