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， 可以縮小設備體積， 降低系統(tǒng)功耗， 減少設備間連線困難等問題。針對ARM9 芯片S3C2440 的特點設計了對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。一方面可以降低設備的成本，另一方面就是可以簡化設備的安裝。

　　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備，可以將一部分測量設備做到運動部件上，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， 供設計人員對設備實時工作的性能進行詳細分析和改進。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)動設計。無線設備采用基于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置。芯片上電后，S3C2440 通過接口將配置數(shù)據(jù)送入芯片，設置收發(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 的接口設計

　　nFR2401 與S3C2440 的接口設計如圖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)，并以文件的形式進行存儲，然后通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。

圖1 系統(tǒng)框圖。

　　2 軟件設計

　　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、加載引導內(nèi)核和文件系統(tǒng)的啟動。U-boot-1.1.1 后，對相關文件進行添加修改。配置其運行環(huán)境在S3C2440 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)核的設置主要是裁減和添加， 裁減不用的驅(qū)動程序和外設，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。用戶層即為應用程序。應用程序負責數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送；驅(qū)動程序負責對nFR2401 的連接引腳進行操作。應用程序與驅(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)動軟件設計

　　設備驅(qū)動程序即設備管理， 其目標是對所有外接設備進行良好的讀、寫、控制等操作。對硬件的使用留給應用程序。所以對設備進行操作的系統(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)換成對物理設備的操作。

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

　　字符設備以字節(jié)流訪問設備，以字節(jié)為單位對其讀寫。字符設備的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)運。應用程序以設備文件訪問字符設備。通過register_chrdev（）或unregister_chrdev（）對字符設備進行注冊和注銷。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)主要應用于對引腳的定義和功能的設置。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)用于打開設備， 設置功能引腳，將指定的引腳設置成是讀狀態(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[]指定要設置的引腳，nf24_cfg_table[]指定設置到哪種工作模式。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)核送到應用程序， 由應用程序?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)動軟件設備號

　　字符設備有一個主設備號和一個次設備號。主設備號標識設備對應的驅(qū)動程序， 內(nèi)核利用主設備號將設備與相應的驅(qū)動程序?qū)饋?。次設備號只由設備驅(qū)動程序使用，區(qū)分同類型設備。向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要給它一個主設備號。驅(qū)動編寫時，先不設置主設備號。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)分配給設備的主設備號。然后修改驅(qū)動程序中的設備號，重新編譯即可。例如在實驗中，系統(tǒng)對nFR2401 的主設備號分配為：

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

　　#define NF24_MAJOR 253 / *nf24_MAJOR 198*/

　　2.3 nFR2401 應用軟件設計

　　應用軟件主要完成數(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，當程序執(zhí)行到調(diào)用該設備時，打開相關設備文件時，首先通過open（）函數(shù)打開設備，如果沒有正常打開，則顯示錯誤信息， 進行相應處理。

　　如果打開正常。首先對nFR2401 進行配置編程。

　　將CS、CE 設為配置模式。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)乃俣取p少了丟數(shù)的概率。

　　所有相關程序編譯完成后， 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，即可按原先的設計工作。

　　3 結(jié)束語

　　S3C2440 與nRF2401 的結(jié)合，是對Linux 外設的擴展。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行互不干擾的工作。

參考文獻:

[1]. nRF24E1  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/nRF24E1+_1085635.html.
[2]. S3C2440  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/S3C2440+_589562.html.
[3]. nRF2401  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/nRF2401+_521030.html.