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為了推進城市電子信息化建設，提高城市的文明程度，提高公交系統的經濟效益、社會效益，不久的將來，大、中、小城市公交將全面實現IC卡自動收費及運營管理，該系統最重要的環節就是車載自動收費機(簡稱車載機)，目前車載機上的數據(日交易現金)通過人工手持采集卡或紅外線采集機在每一輛公交車上進行逐輛采集，然后傳送到公司匯總機(PC機)。他們有如下弊端： (1)人工操作，采集速度慢。 (2)公交車是一個公共場所，人多、灰塵大、各種污染嚴重，對有線接口容易產生污染，因而可能對讀寫數據產生不良影響，從而導致讀寫錯誤。 因此需要有一種高效、可靠、安全、快速的采集方法來代替現有的方法。日趨成熟的藍牙技術是目前比較好的一種解決方法。本文設計了一種基于藍牙技術的車載機數據傳輸方案。 1 單芯片藍牙模塊ROK101 007介紹 ROK101 007是Ericsson公司生產的一種能在各式電子設備中實現藍牙功能的短距離通信的單芯片藍牙模塊。他支持USB，UART和I2C接口，具有聲音和數據傳輸的功能。該藍牙模塊符合藍牙1．1版本，并通過了FCC/ETSI類型認證。其模塊組成框圖如圖1所示，該模塊主要包括3個部分：射頻模塊、基帶控制器和Flash存儲器。 1．1 射頻模塊 藍牙射頻用來實現藍牙設備間的無線連接，具體要完成頻率的合成、基帶模塊的數據比特信號到無線電信號的轉換過濾，并負責將無線電信號以一定的功率和跳頻頻率發送出去。ROK101 007模塊的射頻部分是由藍牙射頻芯片PBA31301/2來實現的，該芯片是一個工作在2．4～2．5 GHz ISM頻段的藍牙通信鏈的近距離微波頻率射頻收發器。最大的TX＆RX數據傳輸為1 Mb/s，最大限度地利用了無需認證的ISM頻段，在可供使用的79個信道(2．402～2．480 GHz)之間快速地跳頻(1 600個信道/s)。使用GFSK調制，通道帶寬是1 MHz，頻率偏差在140～175 kHz之間。藍牙射頻芯片PBA31301/2包括環路濾波器、壓控振蕩器、射頻專用集成電路、晶體振蕩器、接收/發送電路、蕩器與射頻專用集成電路組成了鎖相環電路(PLL)。發送和接收部分共享PLL，數據發送和接收在不同的時隙進行，根據給定的時間PLL可在不同的載波頻率上跳變。 1．2 基帶控制器 基帶控制器負責藍牙基帶部分的功能。他采用查詢和尋呼方式在不同的藍牙設備間使跳頻時鐘和跳頻頻率同步，完成基帶以及鏈路的管理，包括對SCO(同步)和ACL(異步)連接方式的支持、差錯控制、物理層的認證和加密、鏈路管理等。基帶控制器具有USB，UART/PCM接口。這些接口提供了主機控制接口傳輸層的物理連接，是高層軟件協議與底層物理模塊進行通信的通道。他們的功能是通過一個UART/USB硬件模塊和運行在基帶控制器中的固件來實現。當使用USB接口時，模塊以USB從屬設備的形式存在并且不需要PC資源。 1．3 Flash存儲器 閃存中存放的是基帶、鏈路管理層和主機控制接口的軟件，還包括一些API，用于對芯片進行配置。在使用時，基帶控制器首先把存放在閃存中的軟件調到RAM中，RAM作為基帶控制器的運行空間。 2 公交車載自動收費機簡介 車載收費機用于儲值票扣款，采用防水、防塵、防震、防電磁干擾的全密封結構，安裝于原有投幣箱的上部。主要包括單片機系統、顯示、報警、發射接收、看門狗、通訊接口等電路。單片機系統一般選用AT89C52，內含8 kB的E2PROM，便于研制階段反復調試和修改；為提高系統的可靠性，采用X25045實現硬件看門狗功能，他也提供512 B的E2PROM保存重要的系統參數。每當系統掉電、上電后，通過串行時鐘輸出端將重要的系統參數讀到特定RAM區，使程序恢復正常運行，串行E2PROM93C46保存乘客每次刷卡時扣除的金額等數據。 3 單芯片藍牙模塊在車載自動收費機中的應用 3．1 藍牙設備和藍牙應用系統開發方法 藍牙應用有2種方式：計算機背景和非計算機背景。前者通過主機控制接口(HCI，Host Control Interface)實現高層協議和底層協議的聯接，可以將藍牙模塊作為添加的附件和插卡與主機連接，利用現有的協議和API，開發比較簡單；對于嵌入式應用，藍牙設備和藍牙技術應用開發的關鍵問題是如何將藍牙技術和設備原有技術結合起來，即將藍牙作為通信模塊集成到自己的產品中。 在開發嵌入式藍牙設備和應用系統時，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，再針對應用自行開發主芯片，該主芯片包括從基帶層到應用層的完整藍牙協議棧，這種開發方式較為復雜，但不一定需要HCI層；另一種簡單的方法是購買由供應商提供的已通過認證測試的完整藍牙芯片組(他包括無線收發層、基帶層、鏈路管理器層和主控制層)，再針對該藍牙芯片組進行應用開發，即自己著力開發應用部分，這樣，可以簡化開發過程和縮短開發周期。在第2種開發方式中，由于主機與主控制層在硬件上完全分離，所以需要通過HCI層把藍牙模塊和藍牙主機連接在一起，為應用提供支持，他們之間的關系如圖2所示，HCI詳細介紹請參考文獻。 3．2 系統硬件設計 根據前面介紹的ROK101 007單芯片藍牙模塊的特性和車載機結構特點，可以將基于藍牙的車載機數據無線傳輸系統設計成如圖3所示。 車載機一側主機是單片機，屬非計算機背景應用方式，應該采用嵌入式開發方法中的第二種方法，即將藍牙模塊嵌入到車載收費機系統，用單片機本身具有的串行發送端TXD和接收端RXD，分別和藍牙模塊的接收端RXD和發送端TXD相連。 數據匯總機一側主機是PC機，屬計算機背景應用方式，可以采用模塊化設計方法，既可以將藍牙模塊作為添加的附件和插卡與主機(數據匯總機)連接。藍47牙模塊和匯總機的接口可以采用USB接口和串行接口。從長遠看，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”，本系統采用USB接口。如果采用PC標準串行口，則要用MAX232進行電平轉換。 3．3 應用系統軟件及高層協議模型設計分析 開發軟件最簡單的辦法是用現有的協議產品，對于數據傳輸應用至少需要到RFCOMM(線纜替代協 議)層以下，有關藍牙協議棧的詳細情況請參考文獻。對于Linux平臺，Axis和IBM Bluedrekar提供了免費的協議棧，對于Windows平臺，可以從Cstack免費得到協議棧。 車載收費機軟件主要在單片機89C52上用匯編語言編程，實現單片機和藍牙模塊之間的數據傳遞。單片機串口可以采用方式1，通過對藍牙串口寫入HCI指令完成藍牙設備的初始化、ACL連接和ACL數據傳輸等，最后將車載機上數據打包成ACL數據包傳輸給匯總機上的藍牙模塊。 匯總機軟件部分實現藍牙硬件的指令軟控制、接收和發送數據的后臺處理、圖形化顯示。整個程序可以采用VisualC＋＋在PC上實現，通過有效的會話機制實現雙方通信。 根據本課題應用特點，通信雙方要相互傳遞數據。其中，數據匯總機向車載收費機無線傳輸的數據有：采集、補采集、校正時間、黑名單下載、設置票價等；車載收費機向匯總機(PC機)無線傳輸的數據有：日交易現金數據。因而無線傳輸部分可以采用圖4所示的協議棧模型。這種模型可以處理虛擬串行端口抽象替代線纜的所有應用情況，如同2個設備用串行線纜相連一樣，通信雙方不存在主/從關系，通信設備都是對等的。應用模型中有關各協議的作用及功能請參考文獻。 4 數據傳輸采集系統安全問題 無線環境的安全性是至關重要的，特別此項應用中，雙方傳輸的主要數據是日交易現金。車載收費機和數據匯總機都必須保證發送和接收數據時對基帶物理鏈路已經進行了加密。所以，必須采用藍牙鏈接來對用戶進行鑒權，鑒權過程需提供PIN(PersonalIdentificationNumber)或鏈路密鑰，不能完成連接過程將被禁止傳輸數據業務。對于不同廠家的藍牙模塊，可能還會有其他更高的鑒權要求、加密措施或授權機制。關于藍牙安全的詳細情況請參考文獻。 5 結 語 上述提出的基于藍牙技術的數據傳輸方案有5種特點：采集速度快；通過無線接口傳輸，不會受污染；非人工的自動化操作；不需要充電；不會出現因采集儀內存不足導致采集失敗的情況。是一種高效、可靠、安全、快速的采集方法。 隨著測控技術的發展，對數據的傳輸、處理提出了越來越高的要求。藍牙技術在短距離內用無線接口代替線接口，可以取代儀器之間的復雜連線，因此，藍牙技術將會引起測控領域較大的發展和變革。此開發方法同樣適用于主從無線連接的測控系統和信息家電的開發。 |
