基于ARM的蓝牙无线通信模块的设计 硕士论文.docx

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基于ARM的蓝牙无线通信模块的设计硕士论文

2011届毕业生

毕业论文

题目:

基于ARM的的蓝牙无线通信

院系名称：

清华大学专业班级：

电信

学生姓名：

崔剑学号：

指导教师：

教师职称：

教授

2011年6月2日

卷首摘要

传统工业数据通信系统以单片机为下位机采集系统、PC构建的数据中心以及RS232等有线方式构建通信链路组成，该系统无法同时满足高性能的要求，并受到电缆布线的限制。

在此背景下，本文提出一种新颖的基于ARM的蓝牙无线通信模块的设计，该系统以基于ARM的带蓝牙模块的嵌入式系统为下位机，通信链路使用蓝牙技术，相对于传统工业数据通信解决方案有一定的创新性。

本文详细阐述了基于ARM的的蓝牙无线通信系统的原理、系统的软硬件设计和系统调试。

介绍了蓝牙协议及蓝牙发射和接收技术等；硬件设计是以ARM9处理器为核心的硬件平台的设计，详细介绍蓝牙模块硬件设计及其配置方法，嵌入式主板及接口电路的设计；

软件设计中介绍了嵌入式linux系统的移植、make工程管理文件的设计方法、基于ARM的蓝牙通信应用软件的工作流程和基于QT的界面设计，详细介绍了串口驱动程序设计、对串口终端参数的配置、数据发送和接收模块的的设计；系统调试中介绍了蓝牙模块和蓝牙适配器的通信调试以及嵌入式系统和蓝牙模块的通信调试过程。

系统完成后进行了系统整机调试，成功的实现了基于ARM的带蓝牙模块的嵌入式系统和蓝牙适配器的无线通信。

软硬件工作正常，系统性能达到课题预期要求。

目录

摘要..............................................................................................................................2

第一章绪论..................................................................................................................4

1.1课题背景..........................................................................................................4

1.2工业数据通信系统..........................................................................................5

1.2.1无线通信的分类和特点................................................................................5

1.3课题的研究内容................................................................................................6

第二章蓝牙技术基础....................................................................................................7

2.1蓝牙技术和蓝牙SIG组织...............................................................................7

2.2蓝牙协议.............................................................................................................8

2.3蓝牙发射和接收技术.........................................................................................9

2.3.1蓝牙无线传播规范..........................................................................................9

2.3.2蓝牙信号的发送与接收..................................................................................9

2.3.3蓝牙调制方式.................................................................................................11

2.3.4跳频选择和蓝牙地址.....................................................................................11

第三章系统硬件设计....................................................................................................12

3.1蓝牙模块.............................................................................................................12

3.1.1模块概述..........................................................................................................12

3.1.2模块配置说明..................................................................................................13

3.1.3AT指令说明....................................................................................................14

3.1.4配置蓝牙模块..................................................................................................18

3.2主板的设计.........................................................................................................18

3.3硬件结构.............................................................................................................19

3.3.1SDRAM存储系统..........................................................................................20

3.3.2FLASH存储系统............................................................................................21

3.3.3电源系统及接口..............................................................................................21

3.3.4串口..................................................................................................................22

3.3.5USB接口.........................................................................................................22

3.3.6LCD接口........................................................................................................22

第四章系统调试............................................................................................................23

4.1嵌入式系统和蓝牙适配器通信调试................................................................23

第五章结论....................................................................................................................25

5.1研究总结.............................................................................................................25

参考文献.........................................................................................................................26

致谢..................................................................................................................................27

第一章绪论

1.1课题背景

随着工业信息化程度的提高，数据通信系统在工业中也信系统架构由三部分构成：

第一部分为带传感器的下位机备组成的数据处理中心的上位机系统；第三部分为上位机的工业数据通信系统的结构图如图1.1所示：

在工业数据通信中往往通过传感器将检测到的数据上传至上位机控制中心，这样由电脑等设备构成的上位机数据控制中心能够把握所测量和监控对象的全面信息，建立监控下位机的信息系统。

传统的工业通信系统较常用的解决方案：

单片机构成下位机系统实现数据的采集；电脑等设备构成的上位机系统实现数据监测；单片机和电脑的有线传输方式。

随着社会的发展人们对工业信息化要求的提高，往往希望将采集到的复杂的数据进行后期的细致处理，包括利用商业化的数据处理软件进行复杂的数据运算和绘图，这些软件大多要求在windows平台下运行；许多工业环境下不适宜复杂的连线，如何去掉繁杂的连线，简化通信链路，是一个值得思考的问题。

在此背景下，本文提出一个基于ARM的蓝牙无线通信系统，在此系统中蓝牙代替有线电缆实现数据传输。

本系统具有很强的现实意义，可用于无线抄表，工业数据传输，智能家居等领域。

1.2工业数据通信系统

根据工业数据通信的需要常用的通信链路分为有线通信和无线通信，有线通信利用人造的传输媒体来传输信号，无线通信利用电磁波在空间中的传播来传输信号：

其中有线通信分为串行传输和并行传输；无线通信根据传输距离的不同可分为远程无线通信和近程无线通信[1]。

远程无线通信包括用GSM网络和GPRS网络业务承载数据；常用的近程无线通信方案包括射频、红外、无线局域网、蓝牙等。

1.2.1无线通信的分类和特点

无线通信在工业数据通信中具有广泛的应用。

本题的目标是讨论车间级的工业数据传输，故讨论近距离无线通信数据传输设计方案。

常用的短距离无线通信有射频、红外、无线局域网、蓝牙等。

射频传输有低频射频和高频射频传输；低频射频通信常用于非接触式通信，如射频卡；高频射频通信常用于无线数据对传。

射频通信的缺点是由于其工作频段广，对于低频、高频、甚高频需要不同的设计方案，硬件难度高，在协议层开发者需要自己编写通信协议，增加了开发难度[2]。

红外传输的常用于遥控器、手机、电脑等手持终端之间的通信，红外通信的缺点是指向性强，中间不能有任何障碍，必须对准，通常传输角度不能大于30度。

无线局域网对应于802.11标准，覆盖面积通常可达到百米，覆盖面积呈圆形分布，是目前传输速率最高的一种无线通信方式，但是使用无线局域网实现无线通信价格昂贵，多用于笔记本、无线路由器等娱乐消费类产品，目前还没有广泛应用于对价格敏感的工业类产品。

蓝牙技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有较多的技术优势：

抗干扰能力强，组网灵活，传输速率高，功耗小。

与无线局域网相比，蓝牙设备成本低廉；蓝牙设备组网灵活方便，可组成一对多或多对多的通信网络；与红外传输相比，蓝牙设备没有任何方向性限制，不受障碍物影响；其传输速率最大可高达1Mbps；当然蓝牙也有自身的局限性：

传输距离有限，常用的蓝牙芯片传输距离为10米，若需要增加传输距离可以通过增加功放，通信距离可提高到100米。

综合以上几种短距离无线通信解决方案，蓝牙技术是短距离工业数据通信系统的理想解决方案之一，可以便捷的实现工业设备间短距离的无选择将蓝牙技术应用于工业设备间的短距离数据传输。

1.3课题的研究内容

本课题介绍一种基于ARM的蓝牙无线通信模块的设计，重点介绍了蓝牙模块式平台上硬件和软件的设计与实现。

该系统以ARMmini2440为控制核心，南京国春为蓝牙模块为无线收发模块，在Linux操作系统上完成应用程序，具有很好的稳定好的界面。

课题的研究内容和前期准备如下：

（1）系统学习蓝牙技术标准，掌握实现蓝牙无线通信所需的基础知识。

包括蓝牙系，蓝牙工作方式等；

（2）学习基于ARM的嵌入式系统的相关基础知识，如ARM嵌入式系统的基本源，了解与该模块相关的LCD、USB和串口，了解嵌入式软件编程的基本流程，了编译，makefie文件的编写规则；

（3）研究该设计中所用的蓝牙模块，掌握配置该模块的方法，使用蓝牙适配器，蓝牙模块的初始化、配对、实现通信过程。

归纳出课题所需要的蓝牙模块的配置和控

（4）学习Linux操作系统的相关知识，学习在平台上移植Linux操作系统；

（5）设计蓝牙通信应用程序，调试并测试；

（6）数据中心和设计的蓝牙模块进行调试，实现系统命令和数据的无线传输。

第二章蓝牙技术基础

2.1蓝牙技术和蓝牙SIG组织

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。

其数据速率为1Mbps。

蓝牙技术可以将多个蓝牙节点组成微微网，在微微网中，其中一个蓝牙节点作为主站，主站最多可控制7个蓝牙从站，多个微微网可以组成一个散射网；在通信安全上，每一个蓝牙收发器都被唯一分配了一个遵循IEEE802标准的48位蓝牙设备地址，以此保证数据传输的安全性。

由于蓝牙技术具有众多的优势如:

协议开放、抗干扰能力强、性价比高、功耗低等优点，在未来数

据通信必将具有广泛的应用前景。

蓝牙SIG组织的倡导者由世界最有名的IT产业公司（爱立信、Intel、IBM、东芝、诺基亚、3Com、微软、摩托罗拉和朗讯），该组织的任务是协议制定蓝牙技术标准、测试蓝牙产品的方法、协调各国蓝牙技术的使用频段。

SIG有如此的吸引力，是因为发展蓝牙技术已是大势所趋，并且参加SIG的成员享有一系列的优惠条件。

SIG是一个非盈利的科研、生产、营销厂商组织，它的主要职责是制定蓝牙技术规范和推广蓝牙技术。

2.2蓝牙协议

蓝牙协议的集合构成了蓝牙协议栈，在蓝牙协议栈内，各种协议是有层次的按序排列，成蓝牙独有的协议体系结构。

蓝牙协议栈体系如图2.1所示：

蓝牙协议按其功能可以划分为四类：

1）蓝牙核心协议：

基带BB、链接管理LMP、链接控制和适配L2CAP、服务发现SDP议。

基带（BB）实现蓝牙数据和帧的传输，传输的方式为分组交换和电路交换；通过链管理层的设置和控制（LM）可以控制链路的建立、加密、控制等；逻辑链路控制和适协议（L2CAP）是上层协议和上层协议之间不同长度的分组的桥梁，实现拆装数据、控服务质量和协议复用等功能；服务发现SDP协议为上层给出能够发现并解释网络中可用议。

2）蓝牙串口替代协议：

串口仿真RFCOMM协议，RFCOMM是串口仿真协议是为建立武汉科技大学硕士学位论文第5页

在串口之上的传统应用而提供的特定接口环境。

3）蓝牙电话控制协议：

有电话通信TCS协议、AT命令集。

4）蓝牙选用协议：

有PPP、UDD/TCP/IP、WAP、OBEX、WAE、VCard、Vcal、IrM等。

在以上四类协议中，进行蓝牙传输的核心是蓝牙核心协议，蓝牙设备基本上都需要核心协议，其他协议按实际通信的需要而选定。

2.3蓝牙发射和接收技术

2.3.1蓝牙无线传播规范

蓝牙运行频段是2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段，但是世界上对此却有两种同定义。

其中大多数国家将频段定义范围为2.400GHz到2.4835GHz；法国等少数国家频段定义范围为2.4465GHz到2.4835GHz。

表2.1列出了两种不同的频段分配方案。

2.3.2蓝牙信号的发送与接收

蓝牙发送和接收信号的处理过程如图2.2所示。

发送前对数据进行载波调制，接收之后对接收到的高频信号进行解调。

在蓝牙数据发送和接收的过程中，有效的数据信息和控制信息同时在通道上传送，它们分别使用自己的接口。

其中数据信息向空间发送或从空间接收；控制信息用于控制无线射频收发器的整套动作。

在整套控制动作中发射时控制信息主要控制的信息有发射机载波频率调整、发射的功率级别、数据信息bit（位）流向等。

接收时控制信息

主要控制数据流的接收程序、接收到信号后的解调、接收信息的强度、分析信噪比的大小等信息。

由于蓝牙工作的频段2.4GHzISM是通用的工业、科学、医学频段，在通信过程中随时有不可预测的干扰。

为了确保正蓝牙设备不受干扰的正常工作，蓝牙规范采取了“跳频”技术保证传输稳定。

跳频技术是把频段分成若干个“跳频信道”，在通信的过程中，无线电发射器和接收器按照双方约定好的时刻和方法码序列不断从一个信道跳到另一个信道，其他的干扰是随机的，不可能按频率跳动的同一规律对蓝牙发生干扰，这种不断跳动信道的技术就称为跳频技术。

跳频技术中使用的码序列又称为“伪随机码”，对于79信道跳频方案，信道分配频率公式为：

f=2402+kMHz，k=0，…，78；则伪随机码（或称为伪随机码序列）为2402MHz，2403MHz，2404MHz，…，2480MHz。

发射和接收按照伪随机码序列进行跳频，虽然能够有效地抑制干扰，但在每一个频率上的干扰还是存在，伪随机码相邻两个频率仅相差1MHz，反映出跳频瞬间的频带宽度较窄。

解决这个问题的办法是使用跳频扩展频谱技术（FHSS:

FrequencyHoppingSpreadSpectrum），该技术能将窄频带成百倍地扩展为宽频带，这就使得在一个频率上的干扰变得更小，有效地避免干扰的发生。

蓝牙信号发射距离与蓝牙发送器的功率有密切关系：

功率越大，辐射的距离越远。

如100mW的发射距离100m，2.5mW的发射距离是10m，1mW的是10cm。

2.3.3蓝牙调制方式

蓝牙无线电信号使用的调制方式是高斯滤波移频键控GFSK。

GFSK高斯频移键控调制是把输入信号经高斯低通滤波器滤波，作适当的相位积分运算，分别对载波的同相和正交分量相乘，这相当与进行预调制，再进行FSK调制。

该调制方式的好处是不仅能保持恒定幅度的同时，而且能够通过改变高斯低通滤波器的3dB带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。

蓝牙无线调制技术的一些参数见表2.2：

2.3.4跳频选择和蓝牙地址

蓝牙设备在微微网中参加通信，应该知道如何选择跳频，即在定义的跳频序列中知道使用哪一个频率。

蓝牙跳频选择与蓝牙时钟和蓝牙地址有关。

第三章系统硬件设计

3.1蓝牙模块

本文所用的蓝牙模块为GC-02，运用CSR公司的AUDIO-FLASH蓝牙芯片设计的模块，该模块集成度高，功耗小，是高质量的CLASS2蓝牙模块，最高传输距离为10米，GC-02蓝牙模块是插针式蓝牙模块，针间距为2.0mm，采用双列直插设计，便于进行测试GC-02的接口资源非常丰富：

有时钟单元、UART串行接口、USB通用串行接口、SPI串行同步数据接口、复位口、电源口等。

图3.1所示为该模块外观：

3.1.1模块概述

GC-02模块采用16MHZ晶振，在某些应用场合（如GSM，CDMA），不希望使用16MHZ晶振时钟而使用特殊的外部时钟，此时外部时钟可由ExternalClock输入，否则该腿悬空。

GC-02的串口波特率、起始位、停止位、奇偶校验位又编程设定，最大波特率为1.4Mbps。

串行口微TTL电平，与计算机串行通信时要采用RS232电平转换器（如

MAX232），计算机最大波波特率为115.2Kbps，如果超时，需要加高速串口卡。

USB通用串行口有USB-DN和USB-DP，可以与计算机USB直接相联，支持USB2.0版本。

不用时悬空。

SPI串行同步数据口：

GC-02有一个从SPI口和一个主SPI口。

从SPI口由SPI_MOSI、

SPI_CSB、SPI_CLK、SPI_MISO组成；主SPI口由PIO4、PI05、PIO6、PI07组成。

如果不用可以将接口编程为输入输出口。

复位口：

RESET为高电平有效，用2K下拉电阻接地。

模块主芯片如图3.2所示。

3.1.2模块配置说明

GC-02的固件封装了AT命令的解释程序，熟练掌握GC-02的AT命令及响应是调试蓝牙系统的基础，用户需要向模块发送特定的AT命令就可以进行参数配置，使蓝牙模块工作于从模式、主模式或配置两个两个蓝牙模块成一对一的透明传输。

蓝牙模块加电后处于正常待机状态，在与远端蓝牙设备未建立蓝牙串口链路时，可通过蓝牙模块的UART串口输入“AT模式进入指令”和“AT模式进入口令”，进行参数配置；如蓝牙模块已经与远端蓝牙设备建立串口链路，蓝牙模块的PIO5会输入约200mS间隔的脉冲信号，如外接指示灯会快速闪烁，此时无法进入参数配置模式；如蓝牙设备已进入参数配置模式，不在与远端蓝牙设备进行任何通讯。

3.1.3AT指令说明

所有AT指令都以“AT”开始，以回车结束，AT指令可不分大小写，但某些指数区分大小写。

指令执行正确回报“OK”，错误回报有“ERROR”：

命令错误；“COMMPARAMERROR”表示设置参数错误；“READERROR”表示读参数时错误。

指令结“？

”一般为显示指令，命令中有“=”号的指令为设置指令。

1握手指令：

指令格式：

AT回车；

指令说明：

蓝牙模块回送“OK”，表明AT模式工作正常。

2复位指令

指令格式：