针对ARM9芯片S3C2440的特点设计对nFR24E1 的接口电路和驱动程序

fightingboon · 发表于 2018-4-10 10:41:52

通信频率为2.4GHz 的ISM 频段，由于其免许可证、波长较短、天线的尺寸小、外围器件少等优点，适合于近距离无线通信。将ARM9 与nRF24E1 结合，可以缩小设备体积，降低系统功耗，减少设备间连线困难等问题。针对ARM9 芯片S3C2440 的特点设计了对nFR24E1 的接口电路和驱动程序。对于在狭小空间中，有设备之间的数据共享要求的系统是一种有效解决途径。
2.4GHz 无线设备的使用，免去了系统之间连线的烦恼。一方面可以降低设备的成本，另一方面就是可以简化设备的安装。
特别是对于一些运动部件的实时测量，借助两个无线传输设备，可以将一部分测量设备做到运动部件上，另一部分安装在附近，就可以将运动部件的实时数据传输出来，供设计人员对设备实时工作的性能进行详细分析和改进。本文着重介绍nRF24E1 与S3C2440 的硬件连接以及在Linux 操作系统下的驱动设计。无线设备采用基于NF2401AG 芯片。
1 硬件结构
nFR2401A 是NorDIC 公司的一款单片2.4GHz 无线传输芯片。该芯片由一个完全集成的频率合成器，一个功率放大器，晶体振荡器和调制器组成，输出功率和频率可以通过3 线接口编程设置。
1.1 nFR2401 的通信协议与工作模式
nFR2401 之间的无线收发是以数据包的形式发送和接收的。其数据包格式如下：
　　

其中，前缓冲是硬件自动添加，地址由用户设定。为32~40位；循环冗余校验由内置CRC 纠检错硬件电路自动添加。可设为0、8 或6 位。所有的数据总共长度为256 位。
nFR2401 的工作模式有配置模式、工作模式、待机模式、掉电模式四种。模式由主控芯片通过软件设置。芯片上电后，S3C2440 通过接口将配置数据送入芯片，设置收发模式、收发频率、接收地址、发射功率、CRC 校验和的长度、有效数据的长度等。传输中，只有地址，校验和匹配的数据包才能被进一步处理，产生中断信号。这时，S3C2440 读取数据。在同一时刻nFR2401 只能处于接收或发送模式中的一种，一般以接收模式为待机状态。
1.2 nFR2401 与S3C2440 的接口设计
nFR2401 与S3C2440 的接口设计如图1 所示。通过将S3C2440 芯片的GPD 口与nFR2401 连接。S3C2440 的GPD口为多功能口，主要是LCD 屏的接口。由于系统没有显示部分，所以将该口用作了nFR2401 的接口。系统工作时，无线通信一直处于工作状态，所以将PWR_UP 引脚直接与VDD 相连。系统采用通道1，S3C2440 对nFR2401 采用查询模式，接收到上位机工作命令后，只要nFR2401 的DR1 指示接收到数据，S3C2440 就通过CS、CE、DATA、CLK 读取数据，并以文件的形式进行存储，然后通过网络将数据发送给上位机。
　　

　　图1 系统框图。
2 软件设计
系统以Linux 作为操作系统。以S3C2440 为平台使用Linux 操作系统，主要有U-boot 的移植，Linux 的移值，文件系统的编译烧写等几个步骤。U-boot 用于基本硬件的初始化和检测、加载引导内核和文件系统的启动。下载U-boot-1.1.1 后，对相关文件进行添加修改。配置其运行环境在S3C2440 核心板上，然后编译得到u-boot.bin 和内核映像封装工具tools /mkimage. 引导程序boot.bin、U-boot 映像u-boot.ing 及其gzip 压缩文件u-boot.gz 三个文件构成的完整的启动加载程序。内核的设置主要是裁减和添加，裁减不用的驱动程序和外设，添加需要的驱动。
在Linux 操作系统下编程，分为用户层和驱动层。用户层即为应用程序。应用程序负责数据的存储和发送；驱动程序负责对nFR2401 的连接引脚进行操作。应用程序与驱动程序通过库和内核相连解决数据的传递和共享。
2.1 nFR2401 驱动软件设计
设备驱动程序即设备管理，其目标是对所有外接设备进行良好的读、写、控制等操作。对硬件的使用留给应用程序。所以对设备进行操作的系统调用和对文件的操作类似，主要包括open（）、close（）、read（）、write（）、ioctl（）等。应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open（）这样的系统调用转换成对物理设备的操作。
驱动程序任务包括自动配置和初始化子程序和服务于I /O请求的子程序。针对不同的设备，驱动程序分为：字符设备驱动，块设备驱动，网络接口驱动。
字符设备以字节流访问设备，以字节为单位对其读写。字符设备的驱动程序实现了系统调运。应用程序以设备文件访问字符设备。通过register_chrdev（）或unregister_chrdev（）对字符设备进行注册和注销。中断申请用request_IRQ（）函数，释放中断用free_irq （）驱动程序中包含的结构和函数有：nf24_table 和nf24_cfg_table，定义的结构主要应用于对引脚的定义和功能的设置。函数有：
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 函数用于打开设备，设置功能引脚，将指定的引脚设置成是读状态还是写状态。由于S3C2440 与S3C2410 相差甚微，所以用一些S3C2410 的子函数，减少程序开发的工作量。如：s3c2410_gpio_cfgPIN （nf24_table ［i］，nf24_cfg_table［i］），nf24_table［］，nf24_cfg_table［］是两个静态数组， nf24_table［］指定要设置的引脚，nf24_cfg_table［］指定设置到哪种工作模式。引脚的的定义在头文件里，其位置在内核文件系统下，路径为asm / arch / regs-gpio.h.
tq2440_nf24_read，tq2440_nf24_ioctl 函数执行相应的读写操作。通过子函数：s3c2410_gpio_cfgpin （nf24_table［0］，nf24_cfg_table［5］）；
dr=s3c2410_gpio_getpin（nf24_table［0］）；可以将采集到的管脚状态通过操作系统内核送到应用程序，由应用程序将位处理成字节。
module_init（），module_exit（）用于模块的加载和退出。
MODULE_AUTHOR（″cgq″），MODULE_LICENSE（″GPL″ ）函数说明了函数的作者和遵循的协议。
2.2 nFR2401 驱动软件设备号
字符设备有一个主设备号和一个次设备号。主设备号标识设备对应的驱动程序，内核利用主设备号将设备与相应的驱动程序对应起来。次设备号只由设备驱动程序使用，区分同类型设备。向系统增加一个驱动程序意味着要给它一个主设备号。驱动编写时，先不设置主设备号。待编写完成后，加载驱动程序后，查看/ proc / devices 文件，查找系统分配给设备的主设备号。然后修改驱动程序中的设备号，重新编译即可。例如在实验中，系统对nFR2401 的主设备号分配为：
　　#define DEVICE_NAME ″nf24″ / *″TQ2440_nf24″*/
　　#define NF24_MAJOR 253 / *nf24_MAJOR 198*/
2.3 nFR2401 应用软件设计
应用软件主要完成数据的发送、接收和存储。为了使相关程序调用方便。将数据的发送、接收和存储按照模块化编写。图2 是程序的主体流程图。

　　图2 发送、接收流程图
系统上电后，当程序执行到调用该设备时，打开相关设备文件时，首先通过open（）函数打开设备，如果没有正常打开，则显示错误信息，进行相应处理。
如果打开正常。首先对nFR2401 进行配置编程。
将CS、CE 设为配置模式。通过CLK 和DATA 将通道的数据长度、通道的地址、地址的位数、CRC 校验和、使能、通信模式、速率等配置数据由高位到低位移入芯片。配置字一共120bit.将CS、CE 设为工作模式，nFR2401 将刷新内部配置并使新配置立即生效。随后就按照配置的工作方式工作。
在数据采集实验系统中，随运动部件的RF 芯片刚开始处于接收命令，接收到工作指令时，开始将采集到的数据发送出去。连接S3C2440 的设备发送完工作指令后，就处于接收状态。
这样就避免了使nRF2401 处于频繁的工作模式变动之中，节省了时间，加快了数据传输的速度。减少了丢数的概率。
所有相关程序编译完成后，将驱动程序放入内核文件系统的/ driver / char 文件夹下，编译后生成的驱动执行文件入文件系统的/ lib 文件夹下，应用程序放在/ opt 下，修改系统启动文件顺序即/ etc / init.d / rcS 文件并添加“insmod / lib / nf24.ko” 系统启动时即可加载驱动。然后重新编译，移植内核，文件系统。烧写、重启后，即可按原先的设计工作。
3 结束语
S3C2440 与nRF2401 的结合，是对Linux 外设的扩展。系统的集成度高，传输速率高。芯片自身的纠错机制能确保信号能够准确传输。多频点的特性，可以使得在狭小的空间里布置多个同样类型的芯片进行互不干扰的工作。
文章来源于网络

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