基于S3C2440的nRF2401驅(qū)動設(shè)計

　通信頻率為2.4GHz 的ISM 頻段，由于其免許可證、波長較短、天線的尺寸小、外圍器件少等優(yōu)點，適合于近距離無線通信。將ARM9 與nRF24E1 結(jié)合， 可以縮小設(shè)備體積， 降低系統(tǒng)功耗， 減少設(shè)備間連線困難等問題。針對ARM9 芯片S3C2440 的特點設(shè)計了對nFR24E1 的接口電路和驅(qū)動程序。對于在狹小空間中，有設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享要求的系統(tǒng)是一種有效解決途徑。

　　2.4GHz 無線設(shè)備的使用，免去了系統(tǒng)之間連線的煩惱。一方面可以降低設(shè)備的成本，另一方面就是可以簡化設(shè)備的安裝。

　　特別是對于一些運動部件的實時測量，借助兩個無線傳輸設(shè)備，可以將一部分測量設(shè)備做到運動部件上，另一部分安裝在附近，就可以將運動部件的實時數(shù)據(jù)傳輸出來， 供設(shè)計人員對設(shè)備實時工作的性能進(jìn)行詳細(xì)分析和改進(jìn)。本文著重介紹nRF24E1 與S3C2440 的硬件連接以及在Linux 操作系統(tǒng)下的驅(qū)動設(shè)計。無線設(shè)備采用基于NF2401AG 芯片。

　　1 硬件結(jié)構(gòu)

　　nFR2401A 是Nordic 公司的一款單片2.4GHz 無線傳輸芯片。該芯片由一個完全集成的頻率合成器，一個功率放大器，晶體振蕩器和調(diào)制器組成， 輸出功率和頻率可以通過3 線接口編程設(shè)置。

　　1.1 nFR2401 的通信協(xié)議與工作模式

　　nFR2401 之間的無線收發(fā)是以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送和接收的。其數(shù)據(jù)包格式如下：

　　其中，前緩沖是硬件自動添加，地址由用戶設(shè)定。為32~40位；循環(huán)冗余校驗由內(nèi)置CRC 糾檢錯硬件電路自動添加?？稍O(shè)為0、8 或6 位。所有的數(shù)據(jù)總共長度為256 位。

　　nFR2401 的工作模式有配置模式、工作模式、待機模式、掉電模式四種。模式由主控芯片通過軟件設(shè)置。芯片上電后，S3C2440 通過接口將配置數(shù)據(jù)送入芯片，設(shè)置收發(fā)模式、收發(fā)頻率、接收地址、發(fā)射功率、CRC 校驗和的長度、有效數(shù)據(jù)的長度等。傳輸中，只有地址，校驗和匹配的數(shù)據(jù)包才能被進(jìn)一步處理， 產(chǎn)生中斷信號。這時，S3C2440 讀取數(shù)據(jù)。在同一時刻nFR2401 只能處于接收或發(fā)送模式中的一種， 一般以接收模式為待機狀態(tài)。

　　1.2 nFR2401 與S3C2440 的接口設(shè)計

　　nFR2401 與S3C2440 的接口設(shè)計如圖1 所示。通過將S3C2440 芯片的GPD 口與nFR2401 連接。S3C2440 的GPD口為多功能口，主要是LCD 屏的接口。由于系統(tǒng)沒有顯示部分，所以將該口用作了nFR2401 的接口。系統(tǒng)工作時，無線通信一直處于工作狀態(tài)，所以將PWR_UP 引腳直接與VDD 相連。系統(tǒng)采用通道1，S3C2440 對nFR2401 采用查詢模式， 接收到上位機工作命令后， 只要nFR2401 的DR1 指示接收到數(shù)據(jù)，S3C2440 就通過CS、CE、DATA、CLK 讀取數(shù)據(jù)，并以文件的形式進(jìn)行存儲，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

　　圖1 系統(tǒng)框圖。

　　2 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)以Linux 作為操作系統(tǒng)。以S3C2440 為平臺使用Linux 操作系統(tǒng)，主要有U-boot 的移植，Linux 的移值，文件系統(tǒng)的編譯燒寫等幾個步驟。U-boot 用于基本硬件的初始化和檢測、加載引導(dǎo)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的啟動。下載U-boot-1.1.1 后，對相關(guān)文件進(jìn)行添加修改。配置其運行環(huán)境在S3C2440 核心板上， 然后編譯得到u-boot.bin 和內(nèi)核映像封裝工具tools /mkimage. 引導(dǎo)程序boot.bin、U-boot 映像u-boot.ing 及其gzip 壓縮文件u-boot.gz 三個文件構(gòu)成的完整的啟動加載程序。內(nèi)核的設(shè)置主要是裁減和添加， 裁減不用的驅(qū)動程序和外設(shè)，添加需要的驅(qū)動。

　　在Linux 操作系統(tǒng)下編程，分為用戶層和驅(qū)動層。用戶層即為應(yīng)用程序。應(yīng)用程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送；驅(qū)動程序負(fù)責(zé)對nFR2401 的連接引腳進(jìn)行操作。應(yīng)用程序與驅(qū)動程序通過庫和內(nèi)核相連解決數(shù)據(jù)的傳遞和共享。
 

　2.1 nFR2401 驅(qū)動軟件設(shè)計

　　設(shè)備驅(qū)動程序即設(shè)備管理， 其目標(biāo)是對所有外接設(shè)備進(jìn)行良好的讀、寫、控制等操作。對硬件的使用留給應(yīng)用程序。所以對設(shè)備進(jìn)行操作的系統(tǒng)調(diào)用和對文件的操作類似，主要包括open（）、close（）、read（）、write（）、ioctl（）等。應(yīng)用程序發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用指令以后，會從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換到內(nèi)核態(tài)，通過內(nèi)核將open（）這樣的系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)換成對物理設(shè)備的操作。

　　驅(qū)動程序任務(wù)包括自動配置和初始化子程序和服務(wù)于I /O請求的子程序。針對不同的設(shè)備，驅(qū)動程序分為：字符設(shè)備驅(qū)動，塊設(shè)備驅(qū)動，網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動。

　　字符設(shè)備以字節(jié)流訪問設(shè)備，以字節(jié)為單位對其讀寫。字符設(shè)備的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)運。應(yīng)用程序以設(shè)備文件訪問字符設(shè)備。通過register_chrdev（）或unregister_chrdev（）對字符設(shè)備進(jìn)行注冊和注銷。中斷申請用request_irq（）函數(shù)，釋放中斷用free_irq （） 驅(qū)動程序中包含的結(jié)構(gòu)和函數(shù)有：nf24_table 和nf24_cfg_table，定義的結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于對引腳的定義和功能的設(shè)置。函數(shù)有：

　　static int tq2440_nf24_open（struct inode *inode，struct file *file）

　　static int tq2440_nf24_read （struct file *filp，char __user *buf，

　　size_t len， loff_t *offp）

　　static int tq2440_nf24_ioctl（ struct inode *inode， struct file

　　*file， unsigned int cmd， unsigned long arg）

　　module_init（tq2440_nf24_init）；

　　module_exit（tq2440_nf24_exit）；

　　MODULE_AUTHOR（″cgq″）；

　　MODULE_LICENSE（″GPL″）；

　　tq2440_nf24_open 函數(shù)用于打開設(shè)備， 設(shè)置功能引腳，將指定的引腳設(shè)置成是讀狀態(tài)還是寫狀態(tài)。由于S3C2440 與S3C2410 相差甚微，所以用一些S3C2410 的子函數(shù)，減少程序開發(fā)的工作量。如：s3c2410_gpio_cfgpin （nf24_table ［i］，nf24_cfg_table［i］），nf24_table［］，nf24_cfg_table［］是兩個靜態(tài)數(shù)組， nf24_table［］指定要設(shè)置的引腳，nf24_cfg_table［］指定設(shè)置到哪種工作模式。引腳的的定義在頭文件里，其位置在內(nèi)核文件系統(tǒng)下，路徑為asm / arch / regs-gpio.h.

　　tq2440_nf24_read，tq2440_nf24_ioctl 函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。通過子函數(shù)：s3c2410_gpio_cfgpin （nf24_table［0］，nf24_cfg_table［5］）；

　　dr=s3c2410_gpio_getpin（nf24_table［0］）；可以將采集到的管腳狀態(tài)通過操作系統(tǒng)內(nèi)核送到應(yīng)用程序， 由應(yīng)用程序?qū)⑽惶幚沓勺止?jié)。

　　module_init（），module_exit（）用于模塊的加載和退出。

　　MODULE_AUTHOR（″cgq″），MODULE_LICENSE（″GPL″ ）函數(shù)說明了函數(shù)的作者和遵循的協(xié)議。
 

　2.2 nFR2401 驅(qū)動軟件設(shè)備號

　　字符設(shè)備有一個主設(shè)備號和一個次設(shè)備號。主設(shè)備號標(biāo)識設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序， 內(nèi)核利用主設(shè)備號將設(shè)備與相應(yīng)的驅(qū)動程序?qū)?yīng)起來。次設(shè)備號只由設(shè)備驅(qū)動程序使用，區(qū)分同類型設(shè)備。向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要給它一個主設(shè)備號。驅(qū)動編寫時，先不設(shè)置主設(shè)備號。待編寫完成后，加載驅(qū)動程序后，查看/ proc / devices 文件，查找系統(tǒng)分配給設(shè)備的主設(shè)備號。然后修改驅(qū)動程序中的設(shè)備號，重新編譯即可。例如在實驗中，系統(tǒng)對nFR2401 的主設(shè)備號分配為：

　　#define DEVICE_NAME ″nf24″ / *″TQ2440_nf24″*/

　　#define NF24_MAJOR 253 / *nf24_MAJOR 198*/

　　2.3 nFR2401 應(yīng)用軟件設(shè)計

　　應(yīng)用軟件主要完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和存儲。為了使相關(guān)程序調(diào)用方便。將數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和存儲按照模塊化編寫。圖2 是程序的主體流程圖。

　　圖2 發(fā)送、接收流程圖

　　系統(tǒng)上電后，當(dāng)程序執(zhí)行到調(diào)用該設(shè)備時，打開相關(guān)設(shè)備文件時，首先通過open（）函數(shù)打開設(shè)備，如果沒有正常打開，則顯示錯誤信息， 進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　如果打開正常。首先對nFR2401 進(jìn)行配置編程。

　　將CS、CE 設(shè)為配置模式。通過CLK 和DATA 將通道的數(shù)據(jù)長度、通道的地址、地址的位數(shù)、CRC 校驗和、使能、通信模式、速率等配置數(shù)據(jù)由高位到低位移入芯片。配置字一共120bit.將CS、CE 設(shè)為工作模式，nFR2401 將刷新內(nèi)部配置并使新配置立即生效。隨后就按照配置的工作方式工作。

　　在數(shù)據(jù)采集實驗系統(tǒng)中， 隨運動部件的RF 芯片剛開始處于接收命令， 接收到工作指令時， 開始將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。連接S3C2440 的設(shè)備發(fā)送完工作指令后，就處于接收狀態(tài)。

　　這樣就避免了使nRF2401 處于頻繁的工作模式變動之中，節(jié)省了時間，加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。減少了丟數(shù)的概率。

　　所有相關(guān)程序編譯完成后， 將驅(qū)動程序放入內(nèi)核文件系統(tǒng)的/ driver / char 文件夾下， 編譯后生成的驅(qū)動執(zhí)行文件入文件系統(tǒng)的/ lib 文件夾下，應(yīng)用程序放在/ opt 下，修改系統(tǒng)啟動文件順序即/ etc / init.d / rcS 文件并添加“insmod / lib / nf24.ko” 系統(tǒng)啟動時即可加載驅(qū)動。然后重新編譯，移植內(nèi)核，文件系統(tǒng)。燒寫、重啟后，即可按原先的設(shè)計工作。

　　3 結(jié)束語

　　S3C2440 與nRF2401 的結(jié)合，是對Linux 外設(shè)的擴展。系統(tǒng)的集成度高，傳輸速率高。芯片自身的糾錯機制能確保信號能夠準(zhǔn)確傳輸。多頻點的特性，可以使得在狹小的空間里布置多個同樣類型的芯片進(jìn)行互不干擾的工作。