基于ARM嵌入式系統(tǒng)的RFID驅(qū)動程序設(shè)計

　　RFID具有讀取速度快、讀取距離遠、儲存信息量大、標簽上數(shù)據(jù)可加密、使用壽命長、工作環(huán)境適應(yīng)性強等多種優(yōu)點，已經(jīng)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1]。

　　將RFID技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，將射頻識別模塊嵌入到嵌入式系統(tǒng)中，在嵌入式Linux下通過設(shè)計驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)射頻模塊的收發(fā)功能。嵌入式RFID系統(tǒng)增加了RFID技術(shù)的通用性和可移植性，豐富了嵌入式系統(tǒng)通信接口外設(shè)功能，提升了嵌入式技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的發(fā)展空間。

　　當前的嵌入式系統(tǒng)中并不支持RFID系統(tǒng)，所以要進行硬件和軟件兩方面的擴展。硬件方面主要根據(jù)nRF905無線收發(fā)器的電氣特性進行接口擴展，利用基于ARM9嵌入式平臺的擴展口對nRF905進行控制;軟件方面利用Linux內(nèi)核良好的移植性和擴展性，編寫驅(qū)動程序控制射頻模塊的收發(fā)功能，在底層驅(qū)動以收集和分組數(shù)據(jù)并傳遞給上層應(yīng)用程序，由上層應(yīng)用程序與用戶進行交互。本文所研究的基于嵌入式系統(tǒng)的RFID驅(qū)動，將為嵌入式RFID系統(tǒng)提供底層軟硬件接口程序，為嵌入式內(nèi)核增添RFID管理機制，為上層應(yīng)用程序提供良好服務(wù)，降低嵌入式RFID的開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，從而降低其成本，使RFID的應(yīng)用更加普及。

　　1 硬件電路的實現(xiàn)

　　圖1是nRF905無線收發(fā)器接口擴展的硬件電路原理圖，硬件電路的實現(xiàn)主要基于S3C2440 ARM9微處理器和單片nRF905無線收發(fā)器的互聯(lián)，以及根據(jù)nRF905電氣特性所做的一些外接電路。

　　S3C2440是一款采用ARM920T內(nèi)核的高性能32 bit處理器，其主頻高達405 MHz，采用5級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)。S3C2440包括兩個SPI接口，每個接口分別有兩個8 bit數(shù)據(jù)移位寄存器用于發(fā)送和接收。在SPI發(fā)送期間，數(shù)據(jù)同時發(fā)送(串行移出)和接收(串行移入)[2]。因此，利用處理器的SPI接口，可以很方便地用SPI接口與nRF905無線收發(fā)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　單片nRF905無線收發(fā)器工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成。其所具有的ShockBurst工作模式可以自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC。可以通過SPI接口進行編程配置。

　　nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理器放到芯片內(nèi)，nRF905提供給微控制器一個SPI接口，速率由專為控制器設(shè)定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時，降低數(shù)字應(yīng)用部分的速率來降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。在ShockBurst接收模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準備就緒(DR)信號通知微處理器一個有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst發(fā)送模式中，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，數(shù)據(jù)準備就緒(DR)信號通知微處理器數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成[3]。

　　2 RFID驅(qū)動程序設(shè)計

　　2.1 整體驅(qū)動設(shè)計思想

　　RFID驅(qū)動程序的設(shè)計采用自底而上(Down-Top)的方法。優(yōu)先設(shè)計底層部分即SPI接口的驅(qū)動程序，然后再設(shè)計上層RFID驅(qū)動。這種自低而上設(shè)計方法可以把大模塊分散為幾個小模塊，把大設(shè)計分為小設(shè)計，便于開發(fā)驗證，并且符合Linux模塊化的設(shè)計思想，是一種高效的設(shè)計方法。

　　nRF905采用SPI接口與外界進行通信，因此底層SPI驅(qū)動主要完成nRF905的SPI和微處理器S3C2440的SPI模塊間的通信。上層RF驅(qū)動程序通過SPI接口向nRF905發(fā)送指令和數(shù)據(jù)，最終由nRF905的主機控制器控制射頻收發(fā)器完成數(shù)據(jù)收發(fā)，實現(xiàn)射頻模塊間的無線通信。

　　2.2 SPI驅(qū)動程序設(shè)計

　　在硬件電路中，微處理器S3C2440的SPI0模塊與nRF905中的SPI接口相連接。SPI驅(qū)動的作用即完成主SPI與nRF905中從SPI的數(shù)據(jù)傳輸。為了便于驗證功能，提高項目開發(fā)效率，底層SPI驅(qū)動設(shè)計為獨立的模塊，并且進行調(diào)試，在SPI驅(qū)動設(shè)計的基礎(chǔ)上，完成上層RF驅(qū)動。

　　在ARM9嵌入式平臺的內(nèi)核Linux2.6.12中，不包含SPI驅(qū)動程序，而在Linux內(nèi)核之后的版本中包含了SPI驅(qū)動。這樣，就可以移植新版本中的SPI驅(qū)動到本嵌入式平臺Linux2.6.12中。雖然這種SPI驅(qū)動通用性和功能性都較強，但其代碼量大，較多功能并不符合本設(shè)計的要求。因此，本設(shè)計選擇重新編寫SPI底層驅(qū)動，簡化其功能，建立環(huán)形緩沖區(qū)，提高數(shù)據(jù)收發(fā)效率。

　　SPI驅(qū)動程序作為設(shè)備文件，包含write、read、open、release、ioctl等幾個操作[4]，其中關(guān)鍵性的硬件操作為讀寫操作，寫操作的主要作用是把用戶數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，并控制微控制器中的主SPI發(fā)送數(shù)據(jù)到nRF905中;讀操作與寫操作類似，而過程相反，即把主SPI接到的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，再由內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶空間申請好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。對SPI設(shè)備數(shù)據(jù)接收的監(jiān)控，驅(qū)動程序采用中斷的方式來通知系統(tǒng)SPI數(shù)據(jù)是否收發(fā)完畢，在SPI設(shè)備每發(fā)送完一組數(shù)據(jù)或接收到一組數(shù)據(jù)后，就會觸發(fā)中斷，信號由IRQ線進入，傳入CPU進行中斷處理。

　　SPI驅(qū)動程序的寫過程包括建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、建立環(huán)形緩沖區(qū)，從用戶空間把數(shù)據(jù)拷貝到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中、調(diào)用write函數(shù)把數(shù)據(jù)拷貝進環(huán)形緩沖區(qū)中、寫滿后發(fā)送第一組數(shù)據(jù)到發(fā)送寄存器。當SPI發(fā)送寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，會發(fā)出中斷信號，觸發(fā)微處理器中斷，系統(tǒng)進入中斷上下文。為了縮短中斷處理時間，提高中斷處理效率，驅(qū)動程序中采用了頂/底半部的處理方法[5]，即中斷處理時間盡量地短，在中斷處理例程中調(diào)用tasklet調(diào)度函數(shù)，將需要較多時間的中斷處理發(fā)到tasklet(即底半部)中處理。在tasklet中會把環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器，最終由SPI控制器發(fā)送出去。

　　SPI驅(qū)動程序的讀過程和寫過程類似，SPI接收寄存器接到數(shù)據(jù)后觸發(fā)中斷。CPU接到中斷信號后進入中斷處理例程，調(diào)度tasklet進入底半部進行中斷處理，把接收寄存器中的數(shù)據(jù)拷貝到環(huán)形緩沖區(qū)中，然后喚醒正在休眠的進程，由read函數(shù)把環(huán)形緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到申請好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，再拷貝至用戶空間。

　　2.3 RFID驅(qū)動程序設(shè)計

　　完成SPI底層驅(qū)動后，上層RFID驅(qū)動的內(nèi)容主要是對nRF905配置寄存器進行配置，包括發(fā)送接收數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)、目標地址、工作模式、時鐘頻率等通過nRF905自定義的SPI指令寫入寄存器中。因此要對SPI驅(qū)動中的write/read函數(shù)進行封裝，通過調(diào)用SPI驅(qū)動中的函數(shù)完成整體驅(qū)動的寄存器配置和數(shù)據(jù)傳輸功能。

　　RFID驅(qū)動程序作為設(shè)備文件，同樣分為write、read、open、release、ioctl等幾個操作。RFID驅(qū)動程序的寫操作過程：首先將用戶空間中的數(shù)據(jù)拷貝至數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中;然后使nRF905進入Standby模式，調(diào)用SPIwrite函數(shù)對數(shù)據(jù)寄存器和地址寄存器進行配置，把發(fā)送數(shù)據(jù)和目標地址寫入本地nRF905，之后進入ShockBurst發(fā)送模式，由本地nRF905向目標nRF905發(fā)送數(shù)據(jù);最后進程進入休眠狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)準備信號DR觸發(fā)中斷，由中斷處理例程喚醒進程，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。圖2為RFID的發(fā)送流程圖。

　　RFID的讀操作將判斷緩沖區(qū)是否為空，如果不為空，就把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝至數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并拷至用戶空間中;如果為空，進程就會進入休眠，等待緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)后，進入中斷喚醒進程。在進入ShockBurst RX模式后，本地nRF905會自動監(jiān)測空中的信息，在nRF905發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時，載波檢測信號CD被置高，觸發(fā)中斷，在中斷例程中只是延時一段時間，等待nRF905接收到有效的目的地址時，地址匹配信號置高。當nRF905接收到有效的數(shù)據(jù)包后，數(shù)據(jù)準備就緒信號DR會觸發(fā)中斷，進入中斷例程，進入Standby模式，把接收到的數(shù)據(jù)通過SPI接口讀入緩沖區(qū)內(nèi)，而后喚醒進程，把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝至用戶空間中。當所有的數(shù)據(jù)被讀出后，nRF905的AM和DR信號線會被置低。nRF905切換到下一狀態(tài)。RFID驅(qū)動接收流程如圖3所示。

　　3 功能測試

　　測試主要分為兩部分，首先對底層SPI接口部分做調(diào)試，然后在此基礎(chǔ)上，對RFID驅(qū)動進行功能測試。

　　硬件方面，利用S3C2440開發(fā)板的擴展口與nRF905模塊連接，擴展口中用到的GPIO資源在驅(qū)動程序中設(shè)置。另外，用RS-232串口將開發(fā)板與PC機相連，利用內(nèi)核的Debug功能[6]，通過PC機對開發(fā)板進行控制，完成驅(qū)動加載和應(yīng)用程序的運行。

　　軟件方面，基于S3C2440的嵌入式平臺需要完整的嵌入式操作系統(tǒng)資源，包括bootloader、kernel、文件系統(tǒng)。在對內(nèi)核進行剪裁后，將bootloader、kernel、文件系統(tǒng)通過JTAG燒入NAND Flash中。操作系統(tǒng)要保證內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及硬件設(shè)備正常運行。

　　3.1 SPI驅(qū)動功能測試

　　SPI驅(qū)動測試主要測試驅(qū)動程序的功能，測試驅(qū)動程序是否能夠控制SPI主從設(shè)備正確傳輸數(shù)據(jù)。資源包括S3C2440開發(fā)平臺、Linux2.6.12內(nèi)核源碼包、示波器。系統(tǒng)運行后，加載SPI驅(qū)動，運行編寫的上層應(yīng)用程序進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并用示波器觀察波形。

　　3.2 RFID驅(qū)動程序測試

　　在測試SPI驅(qū)動成功后，重新啟動系統(tǒng)，待系統(tǒng)成功運行后，加載RFID驅(qū)動程序，運行為其編寫的測試程序，測試兩nRF905無線模塊間的通信。S3C2440的GPIO資源與nRF905信號線對應(yīng)關(guān)系如下：

　　Power down模式： PWR GPJ12

　　載波檢測輸出： CD GPG6

　　地址匹配輸出： AM GPB9

　　數(shù)據(jù)就緒輸出： DR GPG1

　　SPI主入從出： MISO GPE11

　　SPI主出從入： MOSI GPE12

　　SPI時鐘： SCK GPE13

　　SPI使能： CSN GPB10

　　發(fā)送/接收使能： TRX_CE GPG8

　　發(fā)送/接收模式： TX_EN GPG0

　　兩個平臺分別為：ARM9嵌入式平臺和MSP430單片機平臺。在ARM平臺運行發(fā)送測試程序，而單片機平臺運行接收測試程序，之后交換。接收端將接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在PC機終端顯示。

　　當ARM發(fā)送端的應(yīng)用程序中發(fā)送字符串“aaaaaaaa”時，單片機端的nRF905模塊接收寄存器中收到轉(zhuǎn)換后的ASCII碼“97”;當ARM端作為接收端而單片機作為發(fā)送端時，ARM端運行接收程序后，在用戶空間即顯示終端上顯示了接收到的數(shù)據(jù)“abcd…”。表明此RFID驅(qū)動程序成功實現(xiàn)了控制nRF905無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)接收傳輸?shù)墓δ堋?/P>

　　本文介紹了一種基于ARM9 S3C2440嵌入式平臺擴展RFID驅(qū)動的設(shè)計方案，設(shè)計了硬件擴展電路和相應(yīng)的驅(qū)動程序，通過了并測試。實現(xiàn)了嵌入式平臺間的RFID短距離即時通信功能。嵌入式RFID驅(qū)動將推動RFID技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域中的發(fā)展，將會支持更多的射頻硬件，根據(jù)此驅(qū)動可以開發(fā)更多的應(yīng)用程序，滿足多種需求。

　　參考文獻

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　　[2] SAMSUNG.S3C2440A user’s manual reltminary[OL]. Revision0，2004.

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　　[4] 劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.

　　[5] Jonathan Corbet,Alessandro Rubini,Greg Kroah-Hartman. Linux device drivers[M].Sebastopol：O’Reilly Media，2005.

　　[6] BOVERT D P，MARCO C著.深入理解Linux內(nèi)核(第三版)[M].陳莉君，張瓊聲，張宏偉，譯.北京：中國電力出版社，2007.