單芯片藍(lán)牙模塊在車載自動(dòng)收費(fèi)機(jī)中的應(yīng)用

為了推進(jìn)城市電子信息化建設(shè)，提高城市的文明程度，提高公交系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，不久的將來，大、中、小城市公交將全面實(shí)現(xiàn)IC卡自動(dòng)收費(fèi)及運(yùn)營管理，該系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)就是車載自動(dòng)收費(fèi)機(jī)(簡稱車載機(jī))，目前車載機(jī)上的數(shù)據(jù)(日交易現(xiàn)金)通過人工手持采集卡或紅外線采集機(jī)在每一輛公交車上進(jìn)行逐輛采集，然后傳送到公司匯總機(jī)(PC機(jī))。他們有如下弊端：

(1)人工操作，采集速度慢。

(2)公交車是一個(gè)公共場所，人多、灰塵大、各種污染嚴(yán)重，對(duì)有線接口容易產(chǎn)生污染，因而可能對(duì)讀寫數(shù)據(jù)產(chǎn)生不良影響，從而導(dǎo)致讀寫錯(cuò)誤。

因此需要有一種高效、可靠、安全、快速的采集方法來代替現(xiàn)有的方法。日趨成熟的藍(lán)牙技術(shù)是目前比較好的一種解決方法。本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的車載機(jī)數(shù)據(jù)傳輸方案。

1　單芯片藍(lán)牙模塊ROK101 007介紹

ROK101 007是Ericsson公司生產(chǎn)的一種能在各式電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙功能的短距離通信的單芯片藍(lán)牙模塊。他支持USB，UART和I2C接口，具有聲音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/藍(lán)牙模塊">藍(lán)牙模塊符合藍(lán)牙1．1版本，并通過了FCC/ETSI類型認(rèn)證。其模塊組成框圖如圖1所示，該模塊主要包括3個(gè)部分：射頻模塊、基帶控制器和Flash存儲(chǔ)器。

1．1　射頻模塊

藍(lán)牙射頻用來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備間的無線連接，具體要完成頻率的合成、基帶模塊的數(shù)據(jù)比特信號(hào)到無線電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過濾，并負(fù)責(zé)將無線電信號(hào)以一定的功率和跳頻頻率發(fā)送出去。ROK101 007模塊的射頻部分是由藍(lán)牙射頻芯片PBA31301/2來實(shí)現(xiàn)的，該芯片是一個(gè)工作在2．4～2．5 GHz ISM頻段的藍(lán)牙通信鏈的近距離微波頻率射頻收發(fā)器。最大的TX＆RX數(shù)據(jù)傳輸為1 Mb/s，最大限度地利用了無需認(rèn)證的ISM頻段，在可供使用的79個(gè)信道(2．402～2．480 GHz)之間快速地跳頻(1 600個(gè)信道/s)。使用GFSK調(diào)制，通道帶寬是1 MHz，頻率偏差在140～175 kHz之間。藍(lán)牙射頻芯片PBA31301/2包括環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、射頻專用集成電路、晶體振蕩器、接收/發(fā)送電路、蕩器與射頻專用集成電路組成了鎖相環(huán)電路(PLL)。發(fā)送和接收部分共享PLL，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收在不同的時(shí)隙進(jìn)行，根據(jù)給定的時(shí)間PLL可在不同的載波頻率上跳變。

1．2基帶控制器

基帶控制器負(fù)責(zé)藍(lán)牙基帶部分的功能。他采用查詢和尋呼方式在不同的藍(lán)牙設(shè)備間使跳頻時(shí)鐘和跳頻頻率同步，完成基帶以及鏈路的管理，包括對(duì)SCO(同步)和ACL(異步)連接方式的支持、差錯(cuò)控制、物理層的認(rèn)證和加密、鏈路管理等?；鶐Э刂破骶哂蠻SB，UART/PCM接口。這些接口提供了主機(jī)控制接口傳輸層的物理連接，是高層軟件協(xié)議與底層物理模塊進(jìn)行通信的通道。他們的功能是通過一個(gè)UART/USB硬件模塊和運(yùn)行在基帶控制器中的固件來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)使用USB接口時(shí)，模塊以USB從屬設(shè)備的形式存在并且不需要PC資源。

1．3　Flash存儲(chǔ)器

閃存中存放的是基帶、鏈路管理層和主機(jī)控制接口的軟件，還包括一些API，用于對(duì)芯片進(jìn)行配置。在使用時(shí)，基帶控制器首先把存放在閃存中的軟件調(diào)到RAM中，RAM作為基帶控制器的運(yùn)行空間。

2 公交車載自動(dòng)收費(fèi)機(jī)簡介

車載收費(fèi)機(jī)用于儲(chǔ)值票扣款，采用防水、防塵、防震、防電磁干擾的全密封結(jié)構(gòu)，安裝于原有投幣箱的上部。主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、顯示、報(bào)警、發(fā)射接收、看門狗、通訊接口等電路。單片機(jī)系統(tǒng)一般選用AT89C52，內(nèi)含8 kB的E2PROM，便于研制階段反復(fù)調(diào)試和修改；為提高系統(tǒng)的可靠性，采用X25045實(shí)現(xiàn)硬件看門狗功能，他也提供512 B的E2PROM保存重要的系統(tǒng)參數(shù)。每當(dāng)系統(tǒng)掉電、上電后，通過串行時(shí)鐘輸出端將重要的系統(tǒng)參數(shù)讀到特定RAM區(qū)，使程序恢復(fù)正常運(yùn)行，串行E2PROM93C46保存乘客每次刷卡時(shí)扣除的金額等數(shù)據(jù)。

3 單芯片藍(lán)牙模塊在車載自動(dòng)收費(fèi)機(jī)中的應(yīng)用

3．1　藍(lán)牙設(shè)備和藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)方法　

藍(lán)牙應(yīng)用有2種方式：計(jì)算機(jī)背景和非計(jì)算機(jī)背景。前者通過主機(jī)控制接口(HCI，Host Control Interface)實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議和底層協(xié)議的聯(lián)接，可以將藍(lán)牙模塊作為添加的附件和插卡與主機(jī)連接，利用現(xiàn)有的協(xié)議和API，開發(fā)比較簡單；對(duì)于嵌入式應(yīng)用，藍(lán)牙設(shè)備和藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵問題是如何將藍(lán)牙技術(shù)和設(shè)備原有技術(shù)結(jié)合起來，即將藍(lán)牙作為通信模塊集成到自己的產(chǎn)品中。

在開發(fā)嵌入式藍(lán)牙設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，又可采用2種方式：一種是采用只提供無線接口的簡單模塊，再針對(duì)應(yīng)用自行開發(fā)主芯片，該主芯片包括從基帶層到應(yīng)用層的完整藍(lán)牙協(xié)議棧，這種開發(fā)方式較為復(fù)雜，但不一定需要HCI層；另一種簡單的方法是購買由供應(yīng)商提供的已通過認(rèn)證測試的完整藍(lán)牙芯片組(他包括無線收發(fā)層、基帶層、鏈路管理器層和主控制層)，再針對(duì)該藍(lán)牙芯片組進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，即自己著力開發(fā)應(yīng)用部分，這樣，可以簡化開發(fā)過程和縮短開發(fā)周期。在第2種開發(fā)方式中，由于主機(jī)與主控制層在硬件上完全分離，所以需要通過HCI層把藍(lán)牙模塊和藍(lán)牙主機(jī)連接在一起，為應(yīng)用提供支持，他們之間的關(guān)系如圖2所示，HCI詳細(xì)介紹請參考文獻(xiàn)

3．2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹的ROK101 007單芯片藍(lán)牙模塊的特性和車載機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將基于藍(lán)牙的車載機(jī)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖3所示。

車載機(jī)一側(cè)主機(jī)是單片機(jī)，屬非計(jì)算機(jī)背景應(yīng)用方式，應(yīng)該采用嵌入式開發(fā)方法中的第二種方法，即將藍(lán)牙模塊嵌入到車載收費(fèi)機(jī)系統(tǒng)，用單片機(jī)本身具有的串行發(fā)送端TXD和接收端RXD，分別和藍(lán)牙模塊的接收端RXD和發(fā)送端TXD相連。

數(shù)據(jù)匯總機(jī)一側(cè)主機(jī)是PC機(jī)，屬計(jì)算機(jī)背景應(yīng)用方式，可以采用模塊化設(shè)計(jì)方法，既可以將藍(lán)牙模塊作為添加的附件和插卡與主機(jī)(數(shù)據(jù)匯總機(jī))連接。藍(lán)47牙模塊和匯總機(jī)的接口可以采用USB接口和串行接口。從長遠(yuǎn)看，選USB接口更好，一方面，USB接口速度快；另一方面，USB支持PnP(Plug and Play)，即“即插即用”，本系統(tǒng)采用USB接口。如果采用PC標(biāo)準(zhǔn)串行口，則要用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3．3　應(yīng)用系統(tǒng)軟件及高層協(xié)議模型設(shè)計(jì)分析

開發(fā)軟件最簡單的辦法是用現(xiàn)有的協(xié)議產(chǎn)品，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用至少需要到RFCOMM(線纜替代協(xié) 議)層以下，有關(guān)藍(lán)牙協(xié)議棧的詳細(xì)情況請參考文獻(xiàn)［2］。對(duì)于Linux平臺(tái)，Axis和IBM Bluedrekar提供了免費(fèi)的協(xié)議棧，對(duì)于Windows平臺(tái)，可以從Cstack免費(fèi)得到協(xié)議棧。

3．2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹的ROK101 007單芯片藍(lán)牙模塊的特性和車載機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將基于藍(lán)牙的車載機(jī)數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)成如圖3所示。

車載機(jī)一側(cè)主機(jī)是單片機(jī)，屬非計(jì)算機(jī)背景應(yīng)用方式，應(yīng)該采用嵌入式開發(fā)方法中的第二種方法，即將藍(lán)牙模塊嵌入到車載收費(fèi)機(jī)系統(tǒng)，用單片機(jī)本身具有的串行發(fā)送端TXD和接收端RXD，分別和藍(lán)牙模塊的接收端RXD和發(fā)送端TXD相連。

數(shù)據(jù)匯總機(jī)一側(cè)主機(jī)是PC機(jī)，屬計(jì)算機(jī)背景應(yīng)用方式，可以采用模塊化設(shè)計(jì)方法，既可以將藍(lán)牙模塊作為添加的附件和插卡與主機(jī)(數(shù)據(jù)匯總機(jī))連接。藍(lán)47牙模塊和匯總機(jī)的接口可以采用USB接口和串行接口。從長遠(yuǎn)看，選USB接口更好，一方面，USB接口速度快；另一方面，USB支持PnP(Plug and Play)，即“即插即用”，本系統(tǒng)采用USB接口。如果采用PC標(biāo)準(zhǔn)串行口，則要用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3．3　應(yīng)用系統(tǒng)軟件及高層協(xié)議模型設(shè)計(jì)分析

開發(fā)軟件最簡單的辦法是用現(xiàn)有的協(xié)議產(chǎn)品，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用至少需要到RFCOMM(線纜替代協(xié) 議)層以下，有關(guān)藍(lán)牙協(xié)議棧的詳細(xì)情況請參考文獻(xiàn)［2］。對(duì)于Linux平臺(tái)，Axis和IBM Bluedrekar提供了免費(fèi)的協(xié)議棧，對(duì)于Windows平臺(tái)，可以從Cstack免費(fèi)得到協(xié)議棧。

5　結(jié)　語

上述提出的基于藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方案有5種特點(diǎn)：采集速度快；通過無線接口傳輸，不會(huì)受污染；非人工的自動(dòng)化操作；不需要充電；不會(huì)出現(xiàn)因采集儀內(nèi)存不足導(dǎo)致采集失敗的情況。是一種高效、可靠、安全、快速的采集方法。

隨著測控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、處理提出了越來越高的要求。藍(lán)牙技術(shù)在短距離內(nèi)用無線接口代替線接口，可以取代儀器之間的復(fù)雜連線，因此，藍(lán)牙技術(shù)將會(huì)引起測控領(lǐng)域較大的發(fā)展和變革。此開發(fā)方法同樣適用于主從無線連接的測控系統(tǒng)和信息家電的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

［1］張祿林．藍(lán)牙協(xié)儀及其實(shí)現(xiàn)［M］．北京：人民郵電出版社，2001．
［2］Nathan J．Muller．Bluetooth Demystified［M］．周正，等譯．北京：人民郵電出版社，2011
［3］http：//www．ericsson．com/bluetooth/ourt echnol/components．
［4］Bluetooth Specification，Bluetooth SIG．http：//www．bluetooth．com　　
［5］http：//www．zhyida．com/