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基于蓝牙的无线通信技术及其在机器人中的应用
发布时间：2017-09-01
1 引言
随着计算机技术、网络技术、信息技术的飞速发展, 人们需要交换的信息也越来越多样, 需要交换信息的场合也越来越复杂, 这时, 有线传输已经不能满足人们的需求, 无线技术也开始扮演着越来越重要的角色。“蓝牙”技术是一种短距离无线宽带通信技术,是当今世界公认的十大科技成果之一。它具备一般无线通信的优点也有其自身的特点, 例如功耗小、传输稳定、可靠、安全, 并且可以集成在任何需要无线传输的产品中。
机器人一直是各国竞相研究、集成最新科技成果的高技术象征。从一定意义上讲, 机器人水平的高低集中体现了这个国家的综合科技实力。人们已经不再仅仅希望让机器人来完成人不想干的体力劳动是早期开展机器人研究的根本动力, 而是希望让机器人实现人类的智能扩展, 从事人类想干的脑力劳动或辅助人的智能活动。迄今为止, 机器人已经在医疗、服务、娱乐、生物、医药、环保、军事、核工业、水下、空间、农业、工业、建筑、救灾和排险等许多领域都开辟了前所未有的应用空间。开放性、小型化、高柔性和高智能已成为机器人发展的主流方向, 而体现上述特点的人机交互和信息传输一直是制约机器人发展的重要因素之一。蓝牙技术的出现, 无疑为机器人发展开辟了一条崭新的通道。
本文介绍了基于蓝牙的无线通信系统的软硬件设计及其在模块化机器人中的应用研究。
2 蓝牙无线通信技术简介
蓝牙技术开发的初衷是取消各种移动设备之间的电缆, 但随着技术的发展和深入, 它已经成为当今世界公认的十大科技成果之一, 其应用已经扩展到信息家电、计算机、交通、医疗、工业控制、机器人等更广泛的领域。蓝牙技术规范用来描述和规定各种信息电子产品( 包括通信产品、计算机产品和消费产品) 相互之间是如何用短距离无线电系统进行连接的, 具有低成本、微功率、短距离、小型化等优点。蓝牙采用2.4GHz ISM频段和调频、调频技术, 使用权向纠错编码、ARQ、TDD 和基带协议。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接, 具有很强的移植性, 并且适用于多种场合, 加上该技术功耗低、对人体危害小, 而且应用简单、容易实现, 所以易于推广。蓝牙最吸引人的特性是它的跳频扩频 (Frequency Hop-ping Spread Spectrum, FHSS)特性。
在无线电射频通信中, 扩频技术可以按照频率、时间、编码方式或其他的方法划分可用的频段需要传送的信息被分成几个部分, 在不同的频率上传输。蓝牙使用跳频技术, 这项技术将整个频段划分成不同的频点或称为信道。一个单独的消息分组在一个选定的信道上传送, 然后再跳到一个新的信道传送下一个分组, 重复这个过程, 这样就可以将消息扩展到整个可用的频段上。每一次跳变都与其建立的频率跳变式样相对应。这个信息的接收机必须了解跳频式样, 才能调谐到正确的信道上, 连续地接收每个分组并组装成一条完整的信息。
与简单的静态选择频率相比, FHSS 更加复杂, 但它的优点是明显的。第一, FHSS 能够提供一定级别的通信保密性, 以便只有知道跳频式样的接收器才能够接收并组装所有的消息分组。第二, 也是更重要的一点, 由于无线电波从一个频率到另一个频率的跳变( 通常是随机的, 至少是伪随机的, 速度很快), 减少了射频干扰。高稳定性与抗干扰性对环境十分恶劣干扰很强的工作现场的在线测量工作十分必要。
3 蓝牙的无线通信系统的软硬件设计
3.1 硬件设计
蓝牙内嵌模块我们采用了CSR 公司的BC01 芯片, 它集无线设备、处理器及基带电路于一体, 采用标准的0.35μm 的CMOS 工艺。通过外置的存有蓝牙协议的Flash ROM, 可提供完全兼容的数据和语音通信。经过优化设计, 所需的外部 RF 元件很少, 允许主板的快速设计, 因此能以最低的成本, 实现最短的产品面市时间。
蓝牙内嵌模块的主要工作是把从串口接收的数据转换成符合蓝牙协议的数据, 然后发送到对方的蓝牙设备, 并将从对方蓝牙设备接收的蓝牙数据包转换成串口数据发送给设备。在使用蓝牙内嵌模块之前可以通过串口线连接到计算机上对其进行参数设置, 包括设置其波特率、主动或被动寻找匹配设备、是否加密及其加密密码、是否绑定地址及其被绑定的蓝牙地址等等。在使用时将蓝牙模块连接正确的电路, 并且加电启动后, 会自动寻找匹配设备并建立连接。建立连接之后, 用户就可以像使用一条串口线一样的使用蓝牙内嵌式模块, 串口线的使用和蓝牙内嵌模块的使用比较如图1 所示。
蓝牙内嵌模块的外围电路如图 2, 其中 TXD 和RXD(5, 6 脚)两个引脚分别是串行数据输出和串行数据输入的通道, 蓝牙内嵌模块的 RTS 和 CTS(4, 3 脚)两个引脚分别是请求发送和清除发送引脚, 由于不需要流量控制, 所以我们用1k 的电阻把 RTS 和 CTS 连接起来形成自握手。SLEEP(15 脚) 引脚是睡眠引脚,假设给睡眠引脚置低电平的时间为t, 则当10ms≤t<2s 时, 内嵌模块睡眠/唤醒。当 t>2s 时, 内嵌模块清除记忆的地址。CTRLSLEEP 端被连接到单片机的一个I/O 引脚上, 由这个引脚的高低电平控制三极管的导通与截止, 这样就可以自由地控制蓝牙内嵌模块的SLEEP 引脚的电平高低, 从而完成蓝牙模块睡眠/唤醒或者清除蓝牙模块的记忆地址的功能。蓝牙模块的工作电压是3V。
对蓝牙内嵌模块的控制和串行数据的收发操作可由计算机或单片机来完成, 单片机可选用AT89C2051, 它有15 条可编程 I/O 线, 收发串行接口可以满足控制和串行收发数据的需要。单片机其中一个I/O 引脚接在图2 的 CTRLSLEEP 端, 由这个引脚的高低电平来控制蓝牙内嵌模块的休眠与唤醒。蓝牙内嵌模块的TXD 和RXD 引脚(5, 6 引脚) 可以直接与单片机或计算机的串行接口连接, 不需要进行电平转换。
3.2 软件设计
其软件主要包括建立连接和数据信息的发送和接收。蓝牙主机与蓝牙模块之间是通过各种 HCI 分组来交互的, HCI 分组包括三种, 分别是 HCI 指令分组、HCI 事件分组、HCI 数据分组。各种分组按 Big Edian(即高位字节先于低位字节)进行传输。蓝牙建立连接的流程图如图3 所示。其中所需的指令如下:
复位: Reset [01 03 0C 00]
初始化: Write_Scan_Enable [01 1A 0C 01 03]
Set_Event_Filter [01 05 0C 03 02 00 02]
Ericsson_Write_PCM_Setting [01 07 FC 01 03]
查询: Inquiry [01 01 04 05 33 8B 9E 06 00]
建立ACL: Create_Connection [01 05 04 0D
BD_ADDR 08 00 01 00 timedrift 00], 其中 BD_ADDR和timedrift 是由 Inquiry 得到的蓝牙地址和时钟偏差。
发送数据: 02 01 20 02 00 FF FF(例子)
4 在机器人中的应用
本课题研制了高性能的智能化模块。这种模块机械结构紧凑、装拆性能好且能互换, 含有丰富的低层控制库函数来实现运动控制。它支持网络化控制, 通信速率高, 含有传感信息处理控制系统, 具有多模块同步协调功能, 使由多模块组成的系统在轨迹跟踪中能准确到达每一插补点, 形成有别于它家产品的独特优点, 特别适用于要求高精度位置跟踪的应用场合。可重构模块化机器人由一系列标准化的基本部件所组成, 利用这些标准化部件的组合, 我们可以快速的组装满足不同任务需要、具有各种构形和自由度的模块化机器人。
我们将基于蓝牙的无线通信技术应用到可重构模块化机器人中, 该机器人由两部分组成, 一部分是以PC 为核心的上位机, 另一部分是以 pic 单片机为控制芯片的数字伺服控制系统。上位机和伺服控制系统通过蓝牙模块连接。PC 机通过蓝牙模块向机器人发送位置、速度、加速度等控制命令, 机器人通过蓝牙模块将自己当前的状态信息反馈给PC 机。实际证明控制效果良好。
5 结论
本文作者的创新点是在机器人控制中用蓝牙技术代替了传统的有线传输和一般的无线传输, 与有线控制相比, 它大大简化了信号传输的布线, 使机器人控制更加灵活和方便, 与一般的无线传输相比, 蓝牙技术的协议保证了更加可靠的数据传输。基于蓝牙技术的无线通信模块简化了机器人研究工作中无线通信的开发过程, 研究人员可以在掌握简单的数据帧格式的基础上, 自行编写数据包模块, 使得蓝牙模块成为一个透明的数据传输通道, 就可以方便地通过串口直接与机器人实现双向的数据收发。随着人们对蓝牙技术的进一步了解, 相信在机器人研究领域会有越来越多的人应用到这一项技术。本课题证明系统运行效果良好, 具有进一步推广的价值。
摘自：中国计量测控网
