单芯片蓝牙模块在车载自动收费机中的应用

出处：U2_BOY 发布于：2007-09-20 15:05:09

    摘　要：蓝牙是一种低成本、近距离、低功耗的无线通信标准，他为仪器设备提供了一种无线连接方式。本文介绍了蓝牙模块ROK101 007的特性和车载机的基本结构，分析了目前车载自动收费机数据采集方法存在的问题，在此基础上，提出了基于蓝牙技术的车载机数据无线传输方案。这是一种高速、安全的数据采集方案。
    关键词：蓝牙技术；蓝牙模块；车载自动收费机；无线数据采集
    为了推进城市电子信息化建设，提高城市的文明程度，提高公交系统的经济效益、社会效益，不久的将来，大、中、小城市公交将全面实现IC卡自动收费及运营管理，该系统重要的环节就是车载自动收费机(简称车载机)，目前车载机上的数据(日交易现金)通过人工手持采集卡或红外线采集机在每一辆公交车上进行逐辆采集，然后传送到公司汇总机(PC机)。他们有如下弊端：
    (1)人工操作，采集速度慢。
    (2)公交车是一个公共场所，人多、灰尘大、各种污染严重，对有线接口容易产生污染，因而可能对读写数据产生不良影响，从而导致读写错误。
    因此需要有一种高效、可靠、安全、快速的采集方法来代替现有的方法。日趋成熟的蓝牙技术是目前比较好的一种解决方法。本文设计了一种基于蓝牙技术的车载机数据传输方案。

    1　单芯片蓝牙模块ROK101 007介绍
    ROK101 007是Ericsson公司生产的一种能在各式电子设备中实现蓝牙功能的短距离通信的单芯片蓝牙模块。他支持USB，UART和I2C接口，具有声音和数据传输的功能。该蓝牙模块符合蓝牙1．1版本，并通过了FCC/ETSI类型。其模块组成框图如图1所示，该模块主要包括3个部分：射频模块、基带控制器和Flash存储器。

    1．1　射频模块
    蓝牙射频用来实现蓝牙设备间的无线连接，具体要完成频率的合成、基带模块的数据比特信号到无线电信号的转换过滤，并负责将无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去。ROK101 007模块的射频部分是由蓝牙射频芯片PBA31301/2来实现的，该芯片是一个工作在2．4～2．5 GHz ISM频段的蓝牙通信链的近距离微波频率射频收发器。的TX＆RX数据传输为1 Mb/s，限度地利用了无需的ISM频段，在可供使用的79个信道(2．402～2．480 GHz)之间快速地跳频(1 600个信道/s)。使用GFSK调制，通道带宽是1 MHz，频率偏差在140～175 kHz之间。蓝牙射频芯片PBA31301/2包括环路滤波器、压控振荡器、射频专用集成电路、晶体振荡器、接收/发送电路、荡器与射频专用集成电路组成了锁相环电路(PLL)。发送和接收部分共享PLL，数据发送和接收在不同的时隙进行，根据给定的时间PLL可在不同的载波频率上跳变。　
    1．2　基带控制器
    基带控制器负责蓝牙基带部分的功能。他采用查询和寻呼方式在不同的蓝牙设备间使跳频时钟和跳频频率同步，完成基带以及链路的管理，包括对SCO(同步)和ACL(异步)连接方式的支持、差错控制、物理层的和加密、链路管理等。基带控制器具有USB，UART/PCM接口。这些接口提供了主机控制接口传输层的物理连接，是高层软件协议与底层物理模块进行通信的通道。他们的功能是通过一个UART/USB硬件模块和运行在基带控制器中的固件来实现。当使用USB接口时，模块以USB从属设备的形式存在并且不需要PC资源。
    1．3　Flash存储器
    闪存中存放的是基带、链路管理层和主机控制接口的软件，还包括一些API，用于对芯片进行配置。在使用时，基带控制器首先把存放在闪存中的软件调到RAM中，RAM作为基带控制器的运行空间。

    2　公交车载自动收费机简介
    车载收费机用于储值票扣款，采用防水、防尘、防震、防电磁干扰的全密封结构，安装于原有投币箱的上部。主要包括单片机系统、显示、报警、发射接收、看门狗、通讯接口等电路。单片机系统一般选用AT89C52，内含8 kB的E2PROM，便于研制阶段反复调试和修改；为提高系统的可靠性，采用X25045实现硬件看门狗功能，他也提供512 B的E2PROM保存重要的系统参数。每当系统掉电、上电后，通过串行时钟输出端将重要的系统参数读到特定RAM区，使程序恢复正常运行，串行E2PROM93C46保存乘客每次刷卡时扣除的金额等数据。

    3　单芯片蓝牙模块在车载自动收费机中的应用
    3．1　蓝牙设备和蓝牙应用系统开发方法
    蓝牙应用有2种方式：计算机背景和非计算机背景。前者通过主机控制接口(HCI，Host Control Interface)实现高层协议和底层协议的联接，可以将蓝牙模块作为添加的附件和插卡与主机连接，利用现有的协议和API，开发比较简单；对于嵌入式应用，蓝牙设备和蓝牙技术应用开发的关键问题是如何将蓝牙技术和设备原有技术结合起来，即将蓝牙作为通信模块集成到自己的产品中。
    在开发嵌入式蓝牙设备和应用系统时，又可采用2种方式：一种是采用只提供无线接口的简单模块，再针对应用自行开发主芯片，该主芯片包括从基带层到应用层的完整蓝牙协议栈，这种开发方式较为复杂，但不一定需要HCI层；另一种简单的方法是购买由供应商提供的已通过测试的完整蓝牙芯片组(他包括无线收发层、基带层、链路管理器层和主控制层)，再针对该蓝牙芯片组进行应用开发，即自己着力开发应用部分，这样，可以简化开发过程和缩短开发周期。在第2种开发方式中，由于主机与主控制层在硬件上完全分离，所以需要通过HCI层把蓝牙模块和蓝牙主机连接在一起，为应用提供支持，他们之间的关系如图2所示，HCI详细介绍请参考文献［1］。

    3．2　系统硬件设计
    根据前面介绍的ROK101 007单芯片蓝牙模块的特性和车载机结构特点，可以将基于蓝牙的车载机数据无线传输系统设计成如图3所示。

    车载机一侧主机是单片机，属非计算机背景应用方式，应该采用嵌入式开发方法中的第二种方法，即将蓝牙模块嵌入到车载收费机系统，用单片机本身具有的串行发送端TXD和接收端RXD，分别和蓝牙模块的接收端RXD和发送端TXD相连。
    数据汇总机一侧主机是PC机，属计算机背景应用方式，可以采用模块化设计方法，既可以将蓝牙模块作为添加的附件和插卡与主机(数据汇总机)连接。蓝47牙模块和汇总机的接口可以采用USB接口和串行接口。从长远看，选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”，本系统采用USB接口。如果采用PC标准串行口，则要用MAX232进行电平转换。
    3．3　应用系统软件及高层协议模型设计分析
    开发软件简单的办法是用现有的协议产品，对于数据传输应用至少需要到RFCOMM(线缆替代协<--→参考文献CH(开始)--> 议)层以下，有关蓝牙协议栈的详细情况请参考文献［2］。对于Linux平台，Axis和IBM Bluedrekar提供了的协议栈，对于Windows平台，可以从Cstack得到协议栈。
    车载收费机软件主要在单片机89C52上用汇编语言编程，实现单片机和蓝牙模块之间的数据传递。单片机串口可以采用方式1，通过对蓝牙串口写入HCI指令完成蓝牙设备的初始化、ACL连接和ACL数据传输等，将车载机上数据打包成ACL数据包传输给汇总机上的蓝牙模块。
    汇总机软件部分实现蓝牙硬件的指令软控制、接收和发送数据的后台处理、图形化显示。整个程序可以采用VisualC＋＋在PC上实现，通过有效的会话机制实现双方通信。
    根据本课题应用特点，通信双方要相互传递数据。其中，数据汇总机向车载收费机无线传输的数据有：采集、补采集、校正时间、黑名单、设置票价等；车载收费机向汇总机(PC机)无线传输的数据有：日交易现金数据。因而无线传输部分可以采用图4所示的协议栈模型。这种模型可以处理虚拟串行端口抽象替代线缆的所有应用情况，如同2个设备用串行线缆相连一样，通信双方不存在主/从关系，通信设备都是对等的。应用模型中有关各协议的作用及功能请参考文献［1，2］。

    4　数据传输采集系统安全问题
    无线环境的安全性是至关重要的，特别此项应用中，双方传输的主要数据是日交易现金。车载收费机和数据汇总机都必须保证发送和接收数据时对基带物理链路已经进行了加密。所以，必须采用蓝牙链接来对用户进行鉴权，鉴权过程需提供PIN(PersonalIdentificationNumber)或链路密钥，不能完成连接过程将被禁止传输数据业务。对于不同厂家的蓝牙模块，可能还会有其他更高的鉴权要求、加密措施或授权机制。关于蓝牙安全的详细情况请参考文献［1，2］。

    5　结　语
    上述提出的基于蓝牙技术的数据传输方案有5种特点：采集速度快；通过无线接口传输，不会受污染；非人工的自动化操作；不需要充电；不会出现因采集仪内存不足导致采集失败的情况。是一种高效、可靠、安全、快速的采集方法。
    随着测控技术的发展，对数据的传输、处理提出了越来越高的要求。蓝牙技术在短距离内用无线接口代替线接口，可以取代仪器之间的复杂连线，因此，蓝牙技术将会引起测控领域较大的发展和变革。此开发方法同样适用于主从无线连接的测控系统和信息家电的开发。