基于S3C2440的nRF2401的接口电路和驱动程序设计

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：

statICint 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