一種基于藍(lán)牙串口模塊的數(shù)據(jù)處理算法

朱洪濤， 李江明， 王志勇

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

0 引言

隨著微電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)數(shù)據(jù)采集的信息量在不斷擴(kuò)大，單位信息數(shù)據(jù)可能會(huì)包含多個(gè)字節(jié)，一般將包含特定字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)流加上首尾判斷標(biāo)志以數(shù)據(jù)包方式傳輸[1]。藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，成本低、功耗小、傳輸速率較高、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活[2]，但傳統(tǒng)藍(lán)牙通信的協(xié)議復(fù)雜，不易操作。相比之下，串口是計(jì)算機(jī)上一種常用設(shè)備的通信協(xié)議，相當(dāng)簡(jiǎn)單，為人們所熟知[3]。藍(lán)牙串口模塊正是兩者結(jié)合的產(chǎn)物，它保留了藍(lán)牙通信與串口通信的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的傳輸采用藍(lán)牙技術(shù)，在上位機(jī)的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中直接調(diào)用虛擬串口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信[4]。但藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率和長(zhǎng)度不確定，其數(shù)據(jù)包格式與標(biāo)準(zhǔn)串口通信之間存在細(xì)微差異，導(dǎo)致用傳統(tǒng)串口編程時(shí)可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失[5]。

本文提出一種基于環(huán)形緩沖的數(shù)據(jù)處理算法，首先創(chuàng)建一個(gè)全局的緩沖數(shù)組、讀指針和寫(xiě)指針，在數(shù)據(jù)的接收線程函數(shù)中實(shí)現(xiàn)該算法。利用緩沖區(qū)先將原始數(shù)據(jù)保存到該緩沖區(qū)內(nèi)，此過(guò)程在數(shù)據(jù)采集中是不間斷的，同時(shí)按照要求的數(shù)據(jù)格式去緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)，由于此時(shí)所取數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)格式，所以不會(huì)出現(xiàn)接收到不完整的信息或者接收到錯(cuò)誤信息的情況[6]。

1 典型應(yīng)用系統(tǒng)

一個(gè)典型的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上下位機(jī)組成，下位機(jī)包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)，上位機(jī)則通常為計(jì)算機(jī)或手持終端。下位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)單片機(jī)采集各個(gè)傳感器的有效測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將采的集數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙串口模塊轉(zhuǎn)為無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。上位機(jī)則調(diào)用虛擬串口接收數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理及保存[7]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2 數(shù)據(jù)處理算法

藍(lán)牙串口模塊支持藍(lán)牙串口協(xié)議[8]，將復(fù)雜的藍(lán)牙協(xié)議轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單易用的串口通信協(xié)議，使用戶(hù)能夠以串口的編程方式使用藍(lán)牙。但是藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率和長(zhǎng)度不確定，其數(shù)據(jù)包格式與標(biāo)準(zhǔn)的串口傳輸間存在差異，所以在應(yīng)用傳統(tǒng)的串口編程方式處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果。本文將從產(chǎn)生兩種方式數(shù)據(jù)包格式差異的原因、環(huán)形緩沖區(qū)的概念以及如何在數(shù)據(jù)接收線程中實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)三個(gè)方面來(lái)闡述該數(shù)據(jù)處理算法。

2.1 數(shù)據(jù)格式間的差異

串口傳輸一次性發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包或者多個(gè)數(shù)據(jù)包，即每次傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為包長(zhǎng)度的整數(shù)倍[9]。故在傳統(tǒng)的串口傳輸方式下，接收線程中的暫存數(shù)組長(zhǎng)度為一個(gè)或多個(gè)完整包數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙技術(shù)特別設(shè)計(jì)了快速認(rèn)證和跳頻方案。在一次數(shù)據(jù)傳輸中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道跳到另一個(gè)信道。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，每個(gè)數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送，而且數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度不定[10]。兩種方式下的數(shù)據(jù)包格式差異如圖2所示，為了說(shuō)明方便，這里假設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為63 kB。

圖2 兩種方式下的數(shù)據(jù)包格式

圖3 環(huán)形緩沖區(qū)示意圖

從圖1可以得出以下結(jié)論:就藍(lán)牙傳輸?shù)哪骋粩?shù)據(jù)包而言，由于其無(wú)規(guī)律性，一般不會(huì)是固定長(zhǎng)度，因此若直接取出該數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理無(wú)疑將得到錯(cuò)誤的結(jié)果。但是從數(shù)據(jù)的整體接收過(guò)程看，藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是完整且有效的[11]。

2.2 環(huán)形緩沖區(qū)

綜上對(duì)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的分析，可知藍(lán)牙數(shù)據(jù)包是零散且非標(biāo)準(zhǔn)格式的，故實(shí)際應(yīng)用中需要先將這些零碎的數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合，再按照標(biāo)準(zhǔn)格式讀取[12]。為此本文提出一種數(shù)據(jù)預(yù)處理算法—環(huán)形緩沖區(qū)。在進(jìn)入數(shù)據(jù)接收進(jìn)程之前，首先創(chuàng)建一個(gè)全局的緩沖數(shù)組，一個(gè)寫(xiě)指針和一個(gè)讀指針。其中讀指針指向環(huán)形緩沖區(qū)中可讀的數(shù)據(jù)，寫(xiě)指針指向環(huán)形緩沖區(qū)中可寫(xiě)的緩沖區(qū)。通過(guò)移動(dòng)讀指針和寫(xiě)指針就可以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入[13]。經(jīng)過(guò)這種預(yù)處理算法，用戶(hù)可以依照個(gè)人要求讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。該方法不僅有效地保存了藍(lán)牙數(shù)據(jù)，而且節(jié)省系統(tǒng)資源，圖3為該緩沖區(qū)的示意圖:

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)，一般在接收線程中進(jìn)行，因?yàn)檫@樣可以保證之后得到數(shù)據(jù)的正確性[14]。圖4為該算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3 算法驗(yàn)證與效果

圖4 算法實(shí)現(xiàn)流程

本文使用安裝藍(lán)牙串口模塊的軌道檢測(cè)檢儀來(lái)對(duì)一段已知參數(shù)的軌道進(jìn)行測(cè)量，得到該段軌道的測(cè)量數(shù)據(jù)曲線，如圖5所示。由于直接進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比難以直觀地體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)性，故此處通過(guò)對(duì)比采用本文算法后采集得到的軌道參數(shù)曲線與原有的軌道參數(shù)曲線是否一致[15]。通過(guò)對(duì)比無(wú)線采集得到的軌道參數(shù)曲線與原有的軌道參數(shù)曲線，可以看出圖中無(wú)線采集得到的曲線與原有參數(shù)的曲線高度吻合，無(wú)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。證明該數(shù)據(jù)處理算法在實(shí)際工作中是穩(wěn)定有效的。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 無(wú)線采集的測(cè)量數(shù)據(jù)

藍(lán)牙串口模塊是目前廣泛使用的一種通信模塊，它同時(shí)具備藍(lán)牙與串口的優(yōu)點(diǎn)。但是由于藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)包的頻率和每個(gè)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度均不確定，致使其數(shù)據(jù)格式無(wú)規(guī)律，不規(guī)則，這在一定程度上加大了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)難度。本文在詳細(xì)分析了藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式后，提出了一種基于環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)處理算法。在接收線程中實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)，先將藍(lán)牙數(shù)據(jù)存入環(huán)形緩沖數(shù)組中，再對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)操作。通過(guò)移動(dòng)讀指針和寫(xiě)指針就可以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入。這樣做不僅可以節(jié)省系統(tǒng)資源，而且有效數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，所取得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。通過(guò)實(shí)際檢測(cè)，表明本文提出的藍(lán)牙數(shù)據(jù)處理方法穩(wěn)定可靠，同時(shí)算法原理簡(jiǎn)單，易于編程實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步討論可知，該算法亦適用于其他不規(guī)則數(shù)據(jù)的處理，具有一定的通用性。

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