基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

合肥工业大学

硕士学位论文

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

姓名：曹斌

申请学位级别：硕士

专业：机械制造及其自动化

指导教师：王治森

20050501

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

摘要

移动通信技术和智能掌上设备的飞速发展及其在其他领域的广泛应鹪，必将对制造模式产生深刻的影响，为数字化制造带来重大的机遇和挑战。本文根据“基于移动通信技术的入机协同车间数字化制造模式”的要求，捉比一种基＇Ｆ移动控制的新型数控系统。新型数控系统由两部分构成：一部分是可移动的掌上控制器，我们称其为数控ＰＤＡ；另～部分则安装于机床上，称为嵌入式机床控制器。两部分之间通过蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）实现通信。

蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术，可以用来替代数字设备间的有线电缆连接，在移动电话和计算机外设等领域有着广阔的应用前景。利用蓝牙技术构建的新型数控系统，可以极大的减少传统数控系统中的电缆连接，具有布线少、成本低、安装维护方便等优点。同时，通过采用瞌牙技术的数控ＰＤＡ也彻底改变了数控机床的操作模式，把以机器为中心改变为以人为中心，并实现一人多机操作。

本文对蓝牙技术作了概述性的介绍，分析总结了蓝牙的技术特点、应用和协议体系结构，并进一步详细介绍了蓝牙的低层传输协议和潲Ｉ层传输协议。

在分析蓝牙低层传输协议的基础上，本文论述了蓝牙模块问的ＨｃＩｕＡＲｒｌｌ传输层数据通信的流程和实现方法．并利用蓝牙模块构建了新型数控系统中的蓝牙无线串行接口，初步研究和实现数控ＰＤＡ与嵌入式机床控制器的无线通信。关键词：蓝牙技术，新型数控系统，ＰＤＡ，人机协同制造

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｍｏＶｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｌｕｅｔｏｏｔｈｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎ

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合肥工业大学

本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕上学位论文质量要求。

｝席：

委员：

导师：答辩委员会签名：（工作单位、职称）辟沪掣不秀 磊罐２誓纷懈Ｌ影後７朱华‰考睁≥氏翻耘钆互≯咏．伽峭函魂

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插图清单

圈Ｊ＿ｌ传统的有线控制模式…．…．．．．．………，．．．…．…．．…．５幽卜２蓝牙无线控制模式…．…．．．．．…．．．…．．．．．．．．…，．．…．．５图２—１蓝爿：协议栈．．…．．．．．…．．．．．．……．．．．．．．．．．．．…．．．．．．８图２—２蓝牙应用框架．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．．．．．１（）阁２３ＴＤＤ在蓝牙主从设备通信中的应用．．．．．．．．．．．…．．．．．．…．．１３图２４蓝牙微微网示意图．．．．．．．．．．．．……．．．．，…．．．．．．…，．．．１４图２—５蓝牙散劓网示意图．．．．…．…．…．．．．．……．．．．．．．．．．…１５幽３ｌ较低软件层概述………．．．．．……………．．．．．．…．．．１８罔３—２ＨＣＩ指令分组格式．．．．．．……………．．．．．．…．．．．．．．．．２ｌ图３，３ＩｌｃＩ事件分组的格式…．．．．．．．…．……．．．．．…．．．．．，．．．２３图３—４ＨｃＩＡＣＬ数据分组的格式．．．．．．．．．．．．．．．……．．．．．．．．．．．．．２３图３—５ＨＣＩＳＣ０数据分组的格式．．．．．．．……………．．．．……．．２３图３６蓝牙主机和蓝牙模块的关系……．．．．．．…………．．．．．．．２５图：ｊ７蓝牙设备间的数据流．……．…………．．．．．……．．．．．．２６图３８Ｒｓ２３２传输分组的结构…．．．……．．．…．．．．．…．……．．２７图３—９ｕＡＲＴ传输层．……………．…．．．，．．．．．．．．…．．．．…．．２７罔４一ｌ新型数控制造模式下的结构框图…．．．．．……………．．．．：｛（）图４２数控ＰＤＡ硬件框图…．…………………．．．．……．．．，３ｌ图４３数控ＰＤＡ的控制层软件功能模块结构……．…．…．．．．…．．３２图４—４单片机接口电路工作原理图……．…．…．．．．．…．……．．３３图４—５无线通信结构………．．．．．．…．．．．．…．．……．．．．…．．３４图５—１系统结构．………．．…．……．．．…．．……．．．．．．…．．３６图５—２蓝牙接口硬件框图……．．．．．…．．．．．．．．．．………．…，．３７图５—３草芯片蓝牙模块的构成．．．．．．．．…．．．．．……．…．．．．…．．３８图５４无线收发器功能结构……．．．．…．．．．．…．……．．．．．．．．．３９图５—５蓝牙模块ＲＯＫｌ０１００８的简单框图…．．．．．．…．．．…．……．．４０图５—６ＲＯＸ１０１００８串口电路实现原理图．．．．…………．．．．．，．．．４３图５—７系统软件体系结构．．…．．．．．…．．……．．…．…．．．．．…．４４图５—８应用程序界面……．．…．．．…………．……．．．．．…．．４５图５９数据发送流程…．．．．．．．．．。．．。．．．．…．．，．．．．．．．。．．．．．．．。．４７圈弘ｌＯ数据接受流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．…．．．．．．．．．４８

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表２ｌ

表２２

袭２３

袭２４

表３ｌ

表：卜２

表３３

表３４

表３５表格清单蓝牙传输层协议，．．．蓝牙中介层协议．．．．应用框架概述．．．．．．蓝牙技术指标．．．．．．分组边界（ＰＢ）标志广播（ＢＣ）标志．．．．Ｊ’。播（Ｂｃ）标志．．．．ＨｃｌＲＳ２３２分组头．．．Ｈｃｌ分组指示．．．．．．崩门¨峙肌料孔粥嬲

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独创性声明

奉人声明所基交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究ｒ作及取得的研究成果。

据我所知，除了文ｐ特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发袭域撰。ｒｊ

过的研究成宋，也小包含为获得盒妲上、业叁芏或其他教育机构的学ｆ扛或址旧而位

Ｊ｛ｊ过的材荆。与我一同上作的同志刘本研究所儆的任何贞献均己在论文中作了明确的说叫

斤表示谢意。

制凇文储虢办扒签字慨ｚ㈨年妇肿

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解盒避王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，订权保留

并向围家有关部门或机构送变论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和借刚。本人授权—盒

肥。ｑｋ凡学可以将学位论文的全部或部分山容鳊入商关数据库进行检索，可以袋删影印、

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（保密的学位论文在解密后适用本授权１｛）

学批论文作者签名导师签名

签字Ｈ期：２００５年妫，咽签字日期：２。０５年ｊ１，＇Ｆ

学位论文ｆ１者毕业后去向

ｌ：竹坤位：

通讯地址：电话邮编

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致谢

在我硕二Ｐ论文完成之际，首先，我要感谢我尊敬的导帅王治森教授！在近

三年攻凄颂士学位期间，工老师不但在课题研究上给了我热心指导而日在生活

上也悉心关照－、１二老帅充沛的精力、卓越的学．ｉ｝｝（、严谨求实的治学志度以及诲

人小倦的指导作风，给我留Ｆ了深刻的印象，也是我今后学习和工作的楷模。

从丌始收集论文材料到选题、开趣直到完成浍文的每个阶段，王老师都，ｃ格把

关、斛心审阅。同时，王老卿对人、ｒ和、亲切，在我困难的时候．给予了我鼓

励棚帮ｊ＿｝！】。

其次，要感咐台肥工业大学ｃＴ雌所韩江、复链、何凯、何两清老师。他们

丰富的实践经验、以及忘我的１作精神给我留下了深刻的印象，令我敬佩与暇

服。

糟谢我的同学胡朝斌、余道洋、方兴、唐长平、王宗思、曹哲术，使得我

能够往平时学习过程中与他们互相交流、互相帮助、不断提高。

感谢我的师兄蒋克容、高荣．董伯麟『尊士在我项目的开展以及论文的撰ｔｊ

阶段给予的帮助和支持．他们独到的见解使我得到许多宝贵的经验和启发，与

他们相处成为了我读研阶段难忘的时光。

感∞ｔ师弟章建科、姜峥嵘、周明发、王建兵、郭建强、姜晓秫、潘斌、成

勇、程治等给我的帮助！衷心祝各位酊程似锦！

最后，特别要感谢父母的养育之恩，是父母亲数十载的辛劳、一如观彳亭＝地

期待与支持，使我得姒完成学业。对他们的感激之情无法考表，我只有在今后

１俸、，ｆ二活和学习中用辉煌成就来汇报他们的殷殷之情。，

作者：曹斌２００５年５月

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第一章绪论

从８０年代开始提出开放式数控系统的概念之后，各国相继启动了自己的研究计划。而当前数控系统所需要的功能不仅是高性能，而且还需要许多智能化技术。智能数控系统通过对影响加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态，保证产品生产在最佳状态的最佳生产率。

因此，未来开放式数控系统的发展趋势是：开发一种高性能、智能化、开放式、网络化和新的标准化的数控系统，采用更高级的控制技术、接口技术、感测技术、执行技术，实现从设计到生产加工的进一步简单化，并进一步适应高精度、高效率、高自动化的要求，实现系统的网络化，使自动化生产达到更高的智能化和集成化。１４５Ｊ

综上所述，我们首次提出了一种基于ｗｉｎｄｏⅣｓＣＥ．ＮＥＴ平台下的具有移动控制技术的新型数控系统的研究。

而随着微电子与超大规模集成电路技术的进步，拓展了各类计算机和通信设备的应用空间。并且随着体积和成本的下降，各种移动、便携式计算机、掌上设备、通信或消费类电子产品之间依赖于线缆的信息交互变得越来越繁琐。因而无线产品也已成为众多厂商大力开发的目标。它们能在办公楼内、家庭里以及户外建立无线连接，而且这些无线产品由于体积小、功耗低，可以集成到其它设备中或随身携带，可以处理数据、语音、图象和视频信息。为了使这类产品能够在全球范围内使用，必须建立共同的技术规范和标准。目前用于数据传输的无线通信标准还在不断的发展和完善之中，蓝牙技术正是这样的一种规范。

本章主要阐述了蓝牙技术的产生背景，并结合与ＩＥＥＥ８０２．１１ｘ，ＨｏｍｅＲＦ等其它无线通信技术的对比，进一步分析了篮牙技术的定位。本章晟后简要介绍了本论文的主要内容。¨ｊＬ４４Ｊ

１．１蓝牙技术的产生与发展

人类在数字设备方面取得了巨大的成就，但越来越多的数字设备却带来了日益显著的连线烦恼，各种设备问的数据电缆常常将现场搞的很乱，开发一种无线电缆替代技术是解决这一问题的根本途径。１６】另一方面，广域范围内的无线技术——移动电话的迅速发展正在带给人们前所未有的便利和自由，而将无线技术应用在局域范围内的数字设备上则可以实现数字设备间方便的互联，扩

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展数字设备的功能和应用范围。事实上，已经有一些家庭或办公室范围内的无线通信技术得到了很好的应用，例如，红外技术在家用电器遥控上得到了广泛的应用，并且在笔记本电脑和ＰＤＡ上也得到了应用。但是，以往的短距离无线通信技术都无法从根本上解决局域范围内数字设备互联问题，在这一背景下，蓝牙技术被提出并且成为了解决这些问题的有效方案。

蓝牙技术诞生于１９９４年，当时爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距离无线通信的应用范围几乎无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为Ｂｌｕｔｏｏｔｈ。渐渐地，其它一些大公司也开始注意到爱立信在此领域的研究，并且最终于１９９８年５月，由爱立信、诺基亚、英特尔、ＩＢＭ、和东芝５家公司一起成立了蓝牙特殊兴趣小组ｓＩＧ（ＳｐｅｃｉａｌＩｎｔｅｒｅｓｔＧｒｏｕｐ），负责蓝牙技术标准的制订、产品的测试以及协调各国蓝牙使用的频段，后来，３ｃｏｍ、朗讯、微软和摩托罗拉加盟蓝牙特殊兴趣小组（ｓＩＧ），形成了蓝牙倡议者小组，与ｓＩＧ的五个创始公司一同成为ｓＩＧ的九个发起者。１９９９年７月，ｓＩＧ推出蓝牙规范１．０版，１９９９年１２月，推出蓝牙规范１．０ｂ版，２００１年４月，推出了目前最新的版本蓝牙规范１．１。Ｉｌ剐

自蓝牙规范１．Ｏ版推出之后，蓝牙的推广和应用得到了飞速发展，到目前，ＳＩＧ的成员数已经超过了２５００，几乎覆盖了全球的各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商，甚至包括消费类厂商和汽车制造商等。从２０００年初蓝牙芯片发售以来，目前已经有多家公司生产蓝牙芯片组或蓝牙模块，而各种集成有蓝牙技术的产品也纷纷面市，这些产品不仅描绘了蓝牙广泛的应用领域，而且还预示着蓝牙不久将步入大规模的实际应用阶段。综合多家市场研究机构的研究预测表明，到２００４年，世界上采用蓝牙技术的设备将超过４亿台，商机无限。蓝牙技术已成为近几年增长最快的无线通信技术，而且必将在不久的将来渗透到我们生活的各个领域。【３４Ｊ

１．２无线通信技术和智能掌上设备在开放式数控系统研究中的意义

无线通信技术已越来越广泛的应用于自动化工业控制领域。在这种趋势下，红外技术、蓝牙技术、ＩＥＥＥ８０２．１ｌｘ等，正逐渐成为在各个自动化系统中所遵循的通信标准，连接并控制所有的设备。无线通信技术是一种灵活的数据传输手段，使用无线射频（ＲＦ）技术越空收发数据，减少使用线缆的连接，因此无线通信技术既可达到建设计算机网络系统的目的，又可让设备自由安排和随意移动。

而智能掌上设备就是把最新无线通信技术和个人手持设备一一掌上电脑ＰＤＡ终端相结合的一种新型的、有着广泛用途的无线便携式通信产品。其中，无线通信是采用了目前世界上最新的无线通信方案和无线信道编码技术，使用国

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际通用ＩＳＭ频段，终端客户在使用时，无须申请频率使用许可证．。这种遵循无线通信的ＰＤＡ具有通信距离远，功耗底，处理速度快，存储量大等特点。可广泛运用于各种自动化控制领域。目前，市场上很多专业掌上ＰＤＡ的出现，为我们在这里进一步讨论和研究一种基于无线通信技术的掌上数控ＰＤＡ的新型数控系统，提供了坚实的基础和现实意义。【４６】

１．３几种无线通信技术的对比

随着各种无线网络标准如红外技术，蓝牙技术，ＩＥＥＥ８０２．儿，ＨｏｍｅＲＦ等已广泛运用在各种无线通信领域。本节通过对比、分析这几项技术，阐述蓝牙技术在竞争激烈的无线领域中的定位。ｆ４３’

１．３．１采用红外遥控技术

无线红外数字通信是以红外线为载体来传送数字信息。它作为无线通信的一种，可以在室内外实现点对点通信及军用红外引信。但是由于光信号的反射、散射及背景光噪声与干扰的影响，使得红外数字通信信道存在多径干扰及噪声。在红外引信使用时。还存在雷雨等环境的干扰，及有源干扰机的人工干扰，这些都必须在引信系统中加以考虑解决。因此这也限制了它的应用场合和使用的距离。而且红外通信的致命弱点正是在于它只能实现点对点的通信，对于点对多的通信显得无能为力；同时红外是一种视距传输技术，也就是说两台具有红外接口的设备间如果试图传输数据，中间就不能有阻档物，这也限制了红外技术的的应用。

１．３．２采用８０２．１ｌｘ（ｗｉ—Ｆｉ）无线局域网技术

８０２．１ｌ无线局域网与蓝牙技术标准是针对两种完全不同的应用。蓝牙设备功耗低，用于在ｌＯＭ的短距离内传送少量数据，其速率最高为１Ｍｂｉｔ／ｓ：而８０２．１１的速率可达到“Ｍｂｉｔ／ｓ，通信距离为数百米，适用于办公或校园环境安装电缆不方便或不经济，或者是要求灵活配置的情况。

尽管局域网的出现已有数年，但是其市场认同速度还很慢，互操作性的欠缺阻碍了市场的增长。即便是互操作性问题得到解决，但无线局域网组件的价格，对大多数人来说依然昂贵。

无线局域网使用直接序列扩频时可提供高达ｌｌＭｂｉｔ／ｓ的数据速率，两使用跳频扩频时可提供高达１Ｍｂｉｔ／ｓ或２Ｍｂｉｔ／ｓ的数据速率。使用直接序列扩频时，基带数据流由高速码片调制并产生更高速率的数据流，在发送时频谱得到扩展。使用跳频扩频时，带宽被分割成多个１ＭＨｚ的信道。跳频序列本身是一个

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伪随机序列，因此对于常规无线信号来说，跳频发送的信号就好象是低功率的背景噪声。

直接序列扩频能够提供更高的数据速率，但是跳频扩频的抗干扰能力强，适宜于有电磁噪声和更高安全要求的场合。另外直接序列扩频更耗电，而且实现成本较高。

无线局域网的用处不仅在于减少电缆和布线困难，更重要的是实现移动设备的联网，而不在实现工业设备之间的互联。而后者正是蓝牙技术的用武之地。

ＨｏｍｅＲＦ（家庭无线）为Ｐｃ和家庭电子设备之问的无线数字通信制定了公开的工业规范，为大批可实现互操作的消费电子产品打下了基础。ＨｏｍｅＲＦ现在的速率是１．６Ｍｂｉｔ／ｓ，将来最终会达到１０Ｍｂｉｔ／ｓ。

与蓝牙类似，ＨｏｍｅＲＦ通过使用跳频技术来保证可靠性和安全性。ＨｏｍｅＲＦ是基于共享无线访问协议（ｓｗＡＰ，ｓｈａｒｅｄｗｉｒｅｌｅｓｓＡｃｃｅｓｓＰｒｏｔｏｃ０１），它既能支持时分多址技术以提供交互式语音和其他时间敏感业务，也能够支持ｃｓ凇／ｃＡ（载波监听、冲突检测多址）以提供高速分组业务。

ＨｏｍｅＲＦ用Ｐｃ卡的方式实现；蓝牙是用嵌入式组件模快实现。ＨｏｍｅＲＦ设计的传输距离为５０ｍ，需要功率为ｌｏｏｍＷ的发射装置；而蓝牙设备的通信距离为１０Ⅲ。所需要的发射功率为１唧。因此，ＨｏｍｅＲＦ产品比蓝牙产品昂贵和耗电。蓝牙芯片组具有非常好的节电性能，能够在通信量减少和通信终止时即刻自动转入低功耗模式。ｐ副

１．３．４蓝牙技术

蓝牙是一种实现多种设备之间无线连接的协议。工作在全球通用的２．４ＧＨｚＩｓＭ（即工业、科学、医学）频道。蓝牙的数据速率为１Ｍｂｉｔ／ｓ。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。ＩＳＭ频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和调频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频段分成若干个调频信道（ｈｏｐｃｈａｎｎｅｌ），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列规律（“伪随机码”）不断地从一个信道“跳”到另一个信道。只有收发双方都是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。

与其他工作在同～频段的系统相比，蓝牙调频更快，数据包更短，这使蓝牙比其他系统都更稳定；而且蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场景。同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。总之，红外技术４

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适合在相对稳定静止的短距离赢视通信环境中应用，８０２．１１比较适用于组建无线局域网，ＨｏｍｅＲＦ可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，丽蓝牙技术可应用于任何短距离内无线方式替代线缆的场合以及嵌入式工业控制系统中，支持移动智能设备间互联。

蓝牙技术的定位就是现代通信网络的最后１０米，它将会像一种无处不在的数字化的神经末梢一样，把现有的各种网络终端设备和各种信息化设备在近距离内都连接起来，以实现移动设备、便携式计算机以及与各种固定设备之间在近距离内实现无缝的资源共享。【１８】【２９】

１．４蓝牙技术在工业控制领域的应用

在传统工业控制系统中大多采用的是有线控制方式，这样就会带来比较复杂烦琐的现场布线等工作。但随着现代无线通信技术的发展和成熟，且鉴于无线通信的灵活性，在工业控制系统中引入无线技术可以作为一个研究方向。而蓝牙技术制定者的初衷就是为了省却电脑等电子通信设备及其周边部件间的连接电缆。如果我们在现场控制器中嵌入蓝牙功能，那么这些设备就可以以匹克网或散射网的方式进行无线互连实现组网。例如，在某些控制场合，现场控制器与上位机一般都要通过串口等形式进行连接与通信（见图卜１），丽采用蓝牙无线通信模式则有更好的灵活性与可靠性（见图ｌ一２）。【３０】

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图卜１传统的有线控制模式图卜２蓝牙无线控制模式

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蓝牙技术的通信范围一般在１０ｍ，通过功率放大可以支持到１００ｍ，因此在相应范围的控制现场，我们都可以利用蓝牙无线连接技术，实现通信与控制模式从有线到无线的转变。总而言之，蓝牙技术的发展不但可以使用便携式计算机、掌上电脑、移动电话等对工业设备进行彼此协调操作。同时，在传感器、数据采集和监控等领域中，也具有应用蓝牙技术的可能。【３２】

１．５课题来源及主要内容

１．５．１课题来源

合肥工业大学ｃＩＭｓ研究所多年来一直致力于数控系统的开发研究，已经开发了多系列的数控系统，其ＧＬ２０００数控系统采用了基于Ｐｃ机的开放性体系结构，具有丰富的功能和友好的人机操作界面，符合当今国际上开放式数控系统的发展主流。本课题来源于合肥工业大学ｃＩＭｓ研究所王治森老师国家自然科学基金项目“人机协同的车间数字化制造模式一基于移动通信技术的车间数字助理和掌上数控的研究。”该国家基金项目的研究内容主要有以下五个方面。

１．基于移动通信技术的新型数控系统体系结构的研究；

２．基于ｗｉｎｄｏｗｓｃＥ．ＮＥＴ平台的数控系统专用操作系统的研究：

３．运行于上述平台上的嵌入式数控系统的实时性和多线程并行机制的研究：

４．蓝牙无线通信技术在数控系统中的应用研究；

５．ＰａｌｍｃＮｃ的人机工程学设计的研究；

１．５．２本论文的主要内容

本论文主要研究蓝牙无线通信技术在这种新型数控系统中的应用，具体地说，主要有以下几点：

（１）讨论目前无线通信技术的发展以及各种无线技术的对比分析。

（２）研究蓝牙协议体系，为蓝牙技术在数控系统中的应用打下基础。

（３）讨论采用蓝牙技术的新型数控系统的体系结构。

（４）初步在数控系统中实现基于蓝牙技术的无线通信。６

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

第二章蓝牙技术概述

蓝牙是蓝牙特殊兴趣小组（ＳＩＧ）提出的一种短距离无线通信技术规范，并且在近年来取得了很大的发展。蓝牙规范分为蓝牙核心协议和蓝牙应用框架两部分，蓝牙核心协议定义了蓝牙技术的各层协议；蓝牙应用框架给出了实现具体的蓝牙应用产品的方案和要求。由于蓝牙在小体积和低功耗方面的突出表现，它几乎可以被集成到任何的数字设备之中。

２．１蓝牙规范概述

蓝牙规范包括核心协议（ｃｏｒｅ）与应用框架（Ｐｒｏｆｉｌｅｓ）两个文件。核心协议部分定义了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何采用这些协议实现具体的应用模型。由于新的应用模型和市场需求总是不断出现，因而蓝牙的应用框架也在不断的得到扩充。

２．１．１蓝牙核心协议

蓝牙核心协议文件从低到高地定义了蓝牙协议栈，如图２—１所示，其中，高层除了ｓＩＧ本身定义的协议外，还尽量利用了已有的成熟协议，如ＴｃＰ／ｕＤＰ，或基于其他协议修改而成的协议，如串口仿真（ＲＦｃ０姗）和电话控制协议（Ｔｃｓ）。

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

服务发

现协议

（ＳＤＰ）电ｉ黼０（１ｃＳ）ＡＴｊｃ寸糠交换硒巩卿网际阱议（ＩＰ）指令集协口蜘暖

弦…ｆ心…

哼礁溉ｑｌ（ＰＰＰ）ｌ［粼｛ｉ燃频砚划Ｌ严

（褂嗣’）串口仿真掷泌ｆ掰订碍‘）啡蘸瑗ｉ海议

逻辑髓蒯舞卧与酗议（Ｌ０ｃ＾Ｐ）

ｉ臻黧麟ｌｌ谶㈣黻｜｜｛｜｝嘲

Ｊ“藏“锚啦＾ｉ理器｝ＪＪ议（¨风№Ⅱｎｚ姐，ｎｍ盥血）

转带（抽ｓｅｂａ州）

身Ｉ频（Ｒ抓ｌｉｏ）

图２一ｌ蓝牙协议栈

按照蓝牙协议的逻辑功能，协议栈由下到上可以大致分为３个部分：传输层协议、中介层协议和应用层协议。例

１．传输层协议

传输层协议负责蓝牙设备问相互确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理和逻辑链路。这一部分又进一步分为低层传输协议和高层传输协议两部分，低层传输协议侧重于语音与数据无线传输的物理实现，面向蓝牙芯片／模块的实现；高层传输协议为高层应用程序屏蔽了诸如跳频选择等低层传输操作，并为高层应用程序提供了更加有效和更有利于实现的数据分组格式。传输层的相关协议和说明参见表２—１。

表２—１蓝牙传输层协议

传输层协议

射

（Ｒａｄｉｏ频说明射频部分主要包括了一系列用于蓝牙无线电收发信机设计的规范

低

层Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）基

（Ｂａｓｅｂａｎｄ）带基带规范解决的问题包括发送什么样的数据、等待什么数据、什么时候等待数据以及使用哪一个载波频率和哪个级别的发射功率等

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

链路管理器协

议（ＬＭＰ）链路管理器协议用于控制蓝牙设备问的链路

逻辑链路控制

与适配协议

高

层逻辑链路控制与适配协议将基带的数据分组转换为便于商层应用的数据格式，并提供协议复用和服务（Ｌ２ＣＡＰ）质量交换等功能

主机控制器接主机控制器接口规范提供了主机与主机控制器之间

口（ＨＣＩ）交换数据和控制信息的指令

２．中介层协议

中介层协议为高层应用协议或程序在蓝牙逻辑链路上工作提供了必要的支持，为应用层提供了各种不同的标准接口。这部分包括的协议和说明参见表２—２。

【１２】

表２—２蓝牙中介层协议

基于欧洲电信标准化协议（ＥＴＳＩ）的ＴＳ０７．１０标准制定。该

（ＲＦＣＯＭＭ）协议用于模拟串行接口环境，使得基于串口的传统应用仅做

少量的修改或者不做任何修改可以直接在该层上运行

服务发现协议用于实现蓝牙设备之间相互查询及访问对方提供的服务（ＳＤＰ）中介层协议串口仿真协议说明

ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ

Ｄａｔｅ

Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ。蓝牙规范采用了ＩｒＤＡ的对象交换协议（ｏＢＥＸ）。使得传统的基于红外技术的对象（电子名片（ｖＣａｒｄ）和电子日历（ｖＣａｌ）等）交换应用，同样可以运行在蓝牙无线接口之上

红外数据协会）

互操作协议

该部分协议包括点对点协议（ＰｏｉｎｔｔｏＰｏｉｎｔＰｒｏｔｏｃｏｌ，

ＰＰＰ）、网际协议（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃ０１，ＩＰ）、传输控制协议

（ＴｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＴｃＰ）和用户数据包协议

（ＵｓｅｒＤａｔａｇｒａＩＩｌＰｒｏｔｏｃｏｌ，ＵＤＰ）等，用于实现蓝牙设备

的拨号上网，或通过网络接入点访问Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和本地局域

网网络访问协议

电话控制协议该部分协议包括Ｔｃｓ、ＡＴ指令集和音频。电话控制协议（ＴｅｌｅＤｈｏｎＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｔｏｃ０１Ｓｐｅｃｉｃａｔｉｏｎ，ＴＣＳ）是基于国际电信联盟一电信组（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｃｏ岫ｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｏｎ—Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＩＴＵ—一ｒ）

的Ｄ．９３１标准制定的，用于支持电话功能；ＡＴ指令集基于

ＩＴｕ～Ｔｖ．２５０和欧洲电信标准（Ｅｕｒｏｐｅａｎ

Ｔｅｌｅｃｏ珂ＩｎｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｔａｎｄａｒｄ，ＥＴＳ）３００—＿９１６标准。用于

多用户模式下对移动电话和调制解调器的控制。蓝牙直接在

基带上处理音频信号（主要指数字语音信号），采用ｓｃＯ链

路传输语言，可以实现头戴式耳机（Ｈｅａｄｓｅｔ）和无绳电话

（ＣｏｒｄｌｅｓｓＴｅｌｅｐｈｏｎｙ）等的应用９

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

３．应用层

应用层是指那些面向具体应用的软件程序和其中所涉及的协议，包括开发驱动各种诸如拨号上网和语音通信等功能的蓝牙应用程序。蓝牙规范只对传输层及部分中介层协议做了定义，因此虽然在传输层及中介层，不同的蓝牙设备必须采用统一的符合蓝牙规范的形式，但在应用层则完全由开发人员自主实现。

【１０１¨５ｌ

２．１．２蓝牙应用框架

蓝牙应用框架是具体蓝牙技术应用产品的解决方案，规定了各类蓝牙产品的功能和应用范围。ｓＩＧ首先根据市场需要确定了蓝牙技术可能的应用模型，然后为不同的应用模型制定了相应的应用框架。应用框架中包含实现具体的蓝牙产品或某些通用功能（如建立连接和服务发现等）所用到的协议栈、各个蓝牙协议间的互操作性要求和各功能的实现过程等。

在蓝牙规范１．１中，一共定义了１３个应用框架，它们之间具有继承性，其关系如图２—２所式，低层的应用框架继承了高层应用框架中的各种功能和要求。ｆ２８１图２—２蓝牙应用框架

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

在蓝牙规范１．１颁布之后，ＳＩＧ还陆续推出了一些应用框架，用于实现新的应用产品的需求。所有的应用框架大致可以分为下面几个大的应用模型：

（１）通用应用模型——通用应用模型框架是其它所有或多个应用框架的基础，它们规定了其它应用框架普遍用到的功能流程，如查询、建立连接和服务发现等；

（２）蓝牙电话应用模型——包括与电话控制和语音应用相关的应用框架；（３）蓝牙联网应用模型——包括与网络应用相关的应用框架；

（４）对象交换应用模型——包括一组普遍采用ＩｒＤＡ互操作性协议和ＯＢＥｘ协议的应用框架，用于实现不同的数据对象（电子名片、文件、图像等）的交换应用；

（５）蓝牙音频视频（ＡＶ）应用模型——包括与音频视频应用相关的应用框架。

表２—３列出每种应用模型包括的应用框架和各个应用框架的简要说明，其中标有“｛”号的为蓝牙规范１．１中的１３个应用框架，其它应用框架是后来单独颁布的。【１４】【１６】

表２—３应用框架概述

应用框架

木通用访问框

架

通

用说明

应

用木服务发现框架

模

型

木串口框架

扩展服务发

现框架

景

臂

鳖

【●％无绳电话框架｝对讲机框架十头戴式设备框架免提框架该框架是所有其它蓝牙应用框架的基础，它定义了发现其它蓝牙设备，以及创建、配置和取消蓝牙设备间的链路的过程。同时还定义了蓝牙设备间使用不同的安全等级的过程。该框架是绝大多数蓝牙应用框架中不可缺少的部分，因而是一个基础性的应用框架。它定义了发现注册在其它蓝牙设备中的服务的过程，并且可以获得与这些服务相关的信息。该框架定义了在两个蓝牙设备间基于ＲＦＣ０删建立虚拟的串口连接的过程和要求。该框架定义了发现前微微网之外的服务的功能，还可以实现对远端设备（即可以在当前微微网之中，也可以在之外）上的资源的控制。该框架定义了执行无绳电话功能所需要的协议和过程。该框架定义了执行对讲机功能所需的协议和过程。该框架定义了执行耳机功能的蓝牙设备所使用的协议和过程，这类设备常见的有耳机、Ｐｃ和蜂窝电话。该框架定义了车载蓝牙免提设备的实现要求，该设备可以和蓝牙手机通过语音控制实现拨打与接听电话功能。

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

￥拨号上网框

架

连

网该框架定义了执行拨号上网功能的蓝牙设备所使用的协议和过程，这类设备最常见的是调制解调器和蜂窝电话。该框架定义了执行传真功能的蓝牙设备所使用的协

议和过程，蓝牙蜂窝电话或调制解调器可以通过电脑

履行无线传真调制解调器的功能，来发送和接受传真

信息。应用模型｝传真框架

掌局域网访问

框架

个人局域网

框架

对

象

交

换术通用对象交换框架幸推送对象框

架

术文件传输框

架

宰同步框架应

用

模

型基本打印框

架

基本成像框

架该框架定义了蓝牙设备如何通过ＰＰＰ协议访问局域网，以及两个蓝牙设备如何通过同样的ＰＰＰ机制组网。该框柴定义Ｊ监才１筻备如何通过删络接入点（类似于无线｝ｆＵＢ）访问远端网络，以及蓝牙设备间如何组成微微网。该框架定义了执行对象交换功能的应用将用到的协议和过程，需要此功能的设备包括笔记本电脑、ＰＤＡ和移动电话。该框架以通用对象交换框架为基础，主要用于蓝牙设备间交换电子名片对象。该框架以通用对象交换框架为基础，用于蓝牙设备间文件和文件夹的浏览、传输、以及创建于删除操作。该框架以通用对象交换框架为基础，用于蓝牙设备间同步更新相互的个人信息管理数据（包括电话薄、日历、消息和记事本等对象数据）。该框架以通用对象交换框架为基础，用于实现移动设备上存储的数据对象的无线打印功能。该框架以通用对象交换框架为基础，用于实现蓝压设备间图像对象的交换。

该框架用于蓝牙无线通信技术在传统的红外遥控应

用中的实现。

该框架定义了蓝牙设备为音频视频分发应用建立流

（ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）信道的要求。

该框架用于实现对高质量的单声道和立体声音频数

据的传输，例如使用音乐播放器将音频数据发往耳机

或音箱。ＡＶ应用模型音频视频遥控框架通用音频视频分发框架高级音频分发框架

２．２蓝牙技术特性

蓝牙目的是替代现有的计算机外设、掌上电脑和移动电话等数字设备问的有线电缆连接。ｓＩＧ制定蓝牙技术的出发点包括：全球范围适用；可同时传输语音和数据；具有灵活的组网功能；很好的抗干扰能力；体积小；功耗低；开放的接口标准；低成本等。（１）蓝牙的射频特性

基于移动控制的新型数控系统中的蓝牙通信技术及其实现方法

蓝牙工作在２．４ＧＨｚ的工业、科学和医疗（ＩｓＭ）频段，具体来说是２．４０２～２．４８０ＧＨｚ的频段，对该频段的使用无需申请许可证。ＩＳＭ频段的具体范围是２４００～２４８３．５船ｚ，全球绝大多数国家都一样。

蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱，将２４０２～２４８０蛐ｚ的频段分成７９个频点，每两个频点相隔ｌＭＨｚ、跳频序列的选择是伪随机的。蓝牙的跳频速率高达１６００跳每秒，每跳间隔６２５ｕｓ．

（２）蓝牙的传输特性

蓝牙目前的传输距离大约是ｌＯｍ左右：这与蓝牙设备所采用的功率级别有关。蓝牙目前的传输距离有限，这也是由蓝牙所要求的低功耗所决定的。厂商通过配备功率放大器等手段可使蓝牙的传输距离达到１００ｍ以上。蓝牙设备按射频功率大小分为三个级别，最大输出功率分别为２０ｄＢｍ、４０ｄＢｍ和６０ｄＢｍ。

蓝牙采用时分双工（ＴＤＤ）方式来实现同时接受和发送数据。蓝牙的信道被分为很多时隙（ｔｉｍｅｓｌｏｔ），每个时隙的长度为６２５ｕｓ。在ＴＤＤ方式下，主设备与从设备占用不同的时隙进行传输，参见图２—３，其中主设备只在奇数时隙开始传输，从设备只在偶数时隙开始传输。数据分组的开始与时隙的开始对齐。一个数据分组最多可以占用６个时隙。

主￡各

从￡备霾ｌ藿ｌｌ发送ｌ｜ｌ接受ｌｌ离ｌｌ时隙ｌｌ时隙２ｌ时隙３《《ｔ《ｌｌｌ发送ｌ’ｌ

图２—３Ｔ叻在蓝牙主从设备通信中的应用

蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道或者异步数据和同步语音同时传输的信道。每个语音信道传输速率为６４ｋｂｐｓ。数据信道如果采用非对称数据传输的信道。则单向最大传输速率为７２３．２反向为５７．６ｋｂｐｓ；如果采用对称数据传输，则速率最高为４３３．９ｋｂｐｓｋｂｐｓ，ａ蓝牙技术标准定义了两种链路类型：异步无连接（ＡｃＬ，Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

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