首頁>技術(shù)中心>技術(shù)資訊>基于藍牙的無線通信技術(shù)及其在機器人中的應(yīng)用
基于藍牙的無線通信技術(shù)及其在機器人中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2017-09-01
1 引言
隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展, 人們需要交換的信息也越來越多樣, 需要交換信息的場合也越來越復(fù)雜, 這時, 有線傳輸已經(jīng)不能滿足人們的需求, 無線技術(shù)也開始扮演著越來越重要的角色。“藍牙”技術(shù)是一種短距離無線寬帶通信技術(shù),是當(dāng)今世界公認的十大科技成果之一。它具備一般無線通信的優(yōu)點也有其自身的特點, 例如功耗小、傳輸穩(wěn)定、可靠、安全, 并且可以集成在任何需要無線傳輸?shù)漠a(chǎn)品中。
機器人一直是各國競相研究、集成最新科技成果的高技術(shù)象征。從一定意義上講, 機器人水平的高低集中體現(xiàn)了這個國家的綜合科技實力。人們已經(jīng)不再僅僅希望讓機器人來完成人不想干的體力勞動是早期開展機器人研究的根本動力, 而是希望讓機器人實現(xiàn)人類的智能擴展, 從事人類想干的腦力勞動或輔助人的智能活動。迄今為止, 機器人已經(jīng)在醫(yī)療、服務(wù)、娛樂、生物、醫(yī)藥、環(huán)保、軍事、核工業(yè)、水下、空間、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑、救災(zāi)和排險等許多領(lǐng)域都開辟了前所未有的應(yīng)用空間。開放性、小型化、高柔性和高智能已成為機器人發(fā)展的主流方向, 而體現(xiàn)上述特點的人機交互和信息傳輸一直是制約機器人發(fā)展的重要因素之一。藍牙技術(shù)的出現(xiàn), 無疑為機器人發(fā)展開辟了一條嶄新的通道。
本文介紹了基于藍牙的無線通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及其在模塊化機器人中的應(yīng)用研究。
2 藍牙無線通信技術(shù)簡介
藍牙技術(shù)開發(fā)的初衷是取消各種移動設(shè)備之間的電纜, 但隨著技術(shù)的發(fā)展和深入, 它已經(jīng)成為當(dāng)今世界公認的十大科技成果之一, 其應(yīng)用已經(jīng)擴展到信息家電、計算機、交通、醫(yī)療、工業(yè)控制、機器人等更廣泛的領(lǐng)域。藍牙技術(shù)規(guī)范用來描述和規(guī)定各種信息電子產(chǎn)品( 包括通信產(chǎn)品、計算機產(chǎn)品和消費產(chǎn)品) 相互之間是如何用短距離無線電系統(tǒng)進行連接的, 具有低成本、微功率、短距離、小型化等優(yōu)點。藍牙采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、調(diào)頻技術(shù), 使用權(quán)向糾錯編碼、ARQ、TDD 和基帶協(xié)議。由于藍牙采用無線接口來代替有線電纜連接, 具有很強的移植性, 并且適用于多種場合, 加上該技術(shù)功耗低、對人體危害小, 而且應(yīng)用簡單、容易實現(xiàn), 所以易于推廣。藍牙最吸引人的特性是它的跳頻擴頻 (Frequency Hop-ping Spread Spectrum, FHSS)特性。
在無線電射頻通信中, 擴頻技術(shù)可以按照頻率、時間、編碼方式或其他的方法劃分可用的頻段需要傳送的信息被分成幾個部分, 在不同的頻率上傳輸。藍牙使用跳頻技術(shù), 這項技術(shù)將整個頻段劃分成不同的頻點或稱為信道。一個單獨的消息分組在一個選定的信道上傳送, 然后再跳到一個新的信道傳送下一個分組, 重復(fù)這個過程, 這樣就可以將消息擴展到整個可用的頻段上。每一次跳變都與其建立的頻率跳變式樣相對應(yīng)。這個信息的接收機必須了解跳頻式樣, 才能調(diào)諧到正確的信道上, 連續(xù)地接收每個分組并組裝成一條完整的信息。
與簡單的靜態(tài)選擇頻率相比, FHSS 更加復(fù)雜, 但它的優(yōu)點是明顯的。第一, FHSS 能夠提供一定級別的通信保密性, 以便只有知道跳頻式樣的接收器才能夠接收并組裝所有的消息分組。第二, 也是更重要的一點, 由于無線電波從一個頻率到另一個頻率的跳變( 通常是隨機的, 至少是偽隨機的, 速度很快), 減少了射頻干擾。高穩(wěn)定性與抗干擾性對環(huán)境十分惡劣干擾很強的工作現(xiàn)場的在線測量工作十分必要。
3 藍牙的無線通信系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計
藍牙內(nèi)嵌模塊我們采用了CSR 公司的BC01 芯片, 它集無線設(shè)備、處理器及基帶電路于一體, 采用標準的0.35μm 的CMOS 工藝。通過外置的存有藍牙協(xié)議的Flash ROM, 可提供完全兼容的數(shù)據(jù)和語音通信。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計, 所需的外部 RF 元件很少, 允許主板的快速設(shè)計, 因此能以最低的成本, 實現(xiàn)最短的產(chǎn)品面市時間。
藍牙內(nèi)嵌模塊的主要工作是把從串口接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合藍牙協(xié)議的數(shù)據(jù), 然后發(fā)送到對方的藍牙設(shè)備, 并將從對方藍牙設(shè)備接收的藍牙數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)備。在使用藍牙內(nèi)嵌模塊之前可以通過串口線連接到計算機上對其進行參數(shù)設(shè)置, 包括設(shè)置其波特率、主動或被動尋找匹配設(shè)備、是否加密及其加密密碼、是否綁定地址及其被綁定的藍牙地址等等。在使用時將藍牙模塊連接正確的電路, 并且加電啟動后, 會自動尋找匹配設(shè)備并建立連接。建立連接之后, 用戶就可以像使用一條串口線一樣的使用藍牙內(nèi)嵌式模塊, 串口線的使用和藍牙內(nèi)嵌模塊的使用比較如圖1 所示。
藍牙內(nèi)嵌模塊的外圍電路如圖 2, 其中 TXD 和RXD(5, 6 腳)兩個引腳分別是串行數(shù)據(jù)輸出和串行數(shù)據(jù)輸入的通道, 藍牙內(nèi)嵌模塊的 RTS 和 CTS(4, 3 腳)兩個引腳分別是請求發(fā)送和清除發(fā)送引腳, 由于不需要流量控制, 所以我們用1k 的電阻把 RTS 和 CTS 連接起來形成自握手。SLEEP(15 腳) 引腳是睡眠引腳,假設(shè)給睡眠引腳置低電平的時間為t, 則當(dāng)10ms≤t<2s 時, 內(nèi)嵌模塊睡眠/喚醒。當(dāng) t>2s 時, 內(nèi)嵌模塊清除記憶的地址。CTRLSLEEP 端被連接到單片機的一個I/O 引腳上, 由這個引腳的高低電平控制三極管的導(dǎo)通與截止, 這樣就可以自由地控制藍牙內(nèi)嵌模塊的SLEEP 引腳的電平高低, 從而完成藍牙模塊睡眠/喚醒或者清除藍牙模塊的記憶地址的功能。藍牙模塊的工作電壓是3V。
對藍牙內(nèi)嵌模塊的控制和串行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作可由計算機或單片機來完成, 單片機可選用AT89C2051, 它有15 條可編程 I/O 線, 收發(fā)串行接口可以滿足控制和串行收發(fā)數(shù)據(jù)的需要。單片機其中一個I/O 引腳接在圖2 的 CTRLSLEEP 端, 由這個引腳的高低電平來控制藍牙內(nèi)嵌模塊的休眠與喚醒。藍牙內(nèi)嵌模塊的TXD 和RXD 引腳(5, 6 引腳) 可以直接與單片機或計算機的串行接口連接, 不需要進行電平轉(zhuǎn)換。
3.2 軟件設(shè)計
其軟件主要包括建立連接和數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收。藍牙主機與藍牙模塊之間是通過各種 HCI 分組來交互的, HCI 分組包括三種, 分別是 HCI 指令分組、HCI 事件分組、HCI 數(shù)據(jù)分組。各種分組按 Big Edian(即高位字節(jié)先于低位字節(jié))進行傳輸。藍牙建立連接的流程圖如圖3 所示。其中所需的指令如下:
復(fù)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]
查詢: 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 得到的藍牙地址和時鐘偏差。
發(fā)送數(shù)據(jù): 02 01 20 02 00 FF FF(例子)
4 在機器人中的應(yīng)用
本課題研制了高性能的智能化模塊。這種模塊機械結(jié)構(gòu)緊湊、裝拆性能好且能互換, 含有豐富的低層控制庫函數(shù)來實現(xiàn)運動控制。它支持網(wǎng)絡(luò)化控制, 通信速率高, 含有傳感信息處理控制系統(tǒng), 具有多模塊同步協(xié)調(diào)功能, 使由多模塊組成的系統(tǒng)在軌跡跟蹤中能準確到達每一插補點, 形成有別于它家產(chǎn)品的獨特優(yōu)點, 特別適用于要求高精度位置跟蹤的應(yīng)用場合。可重構(gòu)模塊化機器人由一系列標準化的基本部件所組成, 利用這些標準化部件的組合, 我們可以快速的組裝滿足不同任務(wù)需要、具有各種構(gòu)形和自由度的模塊化機器人。
我們將基于藍牙的無線通信技術(shù)應(yīng)用到可重構(gòu)模塊化機器人中, 該機器人由兩部分組成, 一部分是以PC 為核心的上位機, 另一部分是以 pic 單片機為控制芯片的數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。上位機和伺服控制系統(tǒng)通過藍牙模塊連接。PC 機通過藍牙模塊向機器人發(fā)送位置、速度、加速度等控制命令, 機器人通過藍牙模塊將自己當(dāng)前的狀態(tài)信息反饋給PC 機。實際證明控制效果良好。
5 結(jié)論
本文作者的創(chuàng)新點是在機器人控制中用藍牙技術(shù)代替了傳統(tǒng)的有線傳輸和一般的無線傳輸, 與有線控制相比, 它大大簡化了信號傳輸?shù)牟季€, 使機器人控制更加靈活和方便, 與一般的無線傳輸相比, 藍牙技術(shù)的協(xié)議保證了更加可靠的數(shù)據(jù)傳輸。基于藍牙技術(shù)的無線通信模塊簡化了機器人研究工作中無線通信的開發(fā)過程, 研究人員可以在掌握簡單的數(shù)據(jù)幀格式的基礎(chǔ)上, 自行編寫數(shù)據(jù)包模塊, 使得藍牙模塊成為一個透明的數(shù)據(jù)傳輸通道, 就可以方便地通過串口直接與機器人實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)收發(fā)。隨著人們對藍牙技術(shù)的進一步了解, 相信在機器人研究領(lǐng)域會有越來越多的人應(yīng)用到這一項技術(shù)。本課題證明系統(tǒng)運行效果良好, 具有進一步推廣的價值。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
