林麗蓉， 余紅英， 姜世杰， 洪永學(xué)

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 ， 太原 030051）

0 引言

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，nRF24L01越來(lái)越多的應(yīng)用于無(wú)線傳輸測(cè)控系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著ARM和嵌入式Linux系統(tǒng)的迅速發(fā)展，在Linux系統(tǒng)下nRF24L01和ARM的通信也越來(lái)越多，但大都都是用ARM的GPIO端口來(lái)模擬SPI操作時(shí)序來(lái)與nRF24L01進(jìn)行通信，而ARM本身帶有可靈活配置的SPI 接口這一功能卻被忽視，用ARM的SPI接口和nRF24L01的通信充分利用了這一優(yōu)勢(shì)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

NRF24L01通過(guò)SPI接口和外部控制器件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在Linux系統(tǒng)中SPI通信的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)ARM的SPI接口，也可以通過(guò)ARM的GPIO端口軟件模擬SPI時(shí)序的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，在本次設(shè)計(jì)中選用的SPI接口。

設(shè)計(jì)中ARM芯片選擇三星公司生產(chǎn)的S3C2440，S3C2440包括兩個(gè)SPI接口，每個(gè)SPI接口分別有兩個(gè)8位的數(shù)據(jù)移位器用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在SPI的發(fā)送期間，數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送（串行移出）和接收（串行移入）。S3C2440通過(guò)外接12 MHz的晶振，經(jīng)時(shí)鐘控制邏輯的PLL倍頻后將HCLK、HCLK和PCLK設(shè)置為200 MHz、100 MHz、50 MHz，其中PCLK將用作SPI的時(shí)鐘輸入，NRF24L01模塊與S3C2440的硬件連接電路如1圖所示。

2 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在Linux系統(tǒng)中一個(gè)完善的設(shè)備驅(qū)動(dòng)既要有硬件的支持，同時(shí)也要符合硬件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊。結(jié)合nRF24L01芯片的特點(diǎn)以及Linux系統(tǒng)下設(shè)備類型的不同，可以把它認(rèn)為是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的一種。本次設(shè)計(jì)中使用的是2.6.30的內(nèi)核，根據(jù) Linux 字符驅(qū)動(dòng)的特定架構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的nRF24l01 芯片驅(qū)動(dòng)由init、exit、 open、close、read 等函數(shù)結(jié)構(gòu)組成，以完成不同的功能。本次設(shè)計(jì)的是nRF24l01一次連續(xù)接收4字節(jié)數(shù)據(jù)接收驅(qū)動(dòng)程序，其中open、close函數(shù)沒(méi)做什么工作，只是讓其返回個(gè)0值。

圖1 NRF24L01與S3C2440的連接電路圖

2.1 驅(qū)動(dòng)的加載與卸載函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)加載該模塊時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用init函數(shù)，init除了完成字符設(shè)備的注冊(cè)外，還對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行初始化。圖2為nRF24L01的SPI寫時(shí)序圖，由圖可知上升沿輸入，下降沿輸出，往NRF24L01的MOSI寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的同時(shí)nRF24L01的MISO引腳輸出相應(yīng)的返回值。初始化主要完成如下工作：

① 將 S3C2440 的 GPE11、GPE12、GPE13 配置為SPI接口，GPG2、GPF3、GPF4配置為輸出I/O口

② S3C2440的SPI寄存器映射內(nèi)存。

③ 根據(jù) nRF24L01的寫時(shí)序圖，配置S3C2440 的SPI的相關(guān)寄存器，將SPI設(shè)為主機(jī)查詢模式，傳輸格式為A格式（上升沿采樣，下降沿輸出），且高電平有效，傳輸波特率預(yù)定標(biāo)寄存器的值為0x18（波特率 = PCLK / 2 / (標(biāo)寄存器的值 + 1)，小于4MHz）；

④ 開(kāi)SPI時(shí)鐘，否則SPI是不會(huì)工作的。

卸載模塊時(shí)調(diào)用exit函數(shù)，exit函數(shù)完成內(nèi)存的釋放。

圖2 nRF24L01的SPI寫時(shí)序圖

2.2 相關(guān)子函數(shù)的設(shè)計(jì)

引腳配置成功后還需實(shí)現(xiàn)SPI的通信nRF24L01相關(guān)寄存器的初始化工作。涉及的子函數(shù)如下，函數(shù)中使用的延時(shí)函數(shù)都是2.6.30內(nèi)核自帶的，時(shí)間的延遲是根據(jù)nRF24L01的SPI時(shí)序圖的時(shí)間要求設(shè)置的。

當(dāng)往S3C2440的SPTDAT0寄存器寫入一個(gè)字節(jié)后, 如果ENSCK、SPCON0寄存器的MSTR被置為，S3C2440的MOSI引腳開(kāi)始向nRF24L01發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，并且SPRDAT0寄存器返回由nRF24L01的MISO引腳輸出的數(shù)據(jù)，當(dāng)SPSTA0狀態(tài)寄存器的READY為1時(shí)，說(shuō)明SPRDAR0的讀已準(zhǔn)備，讀取SPRDAR0并返回。

此函數(shù)是向nRF24L01指定的寄存器地址 reg(命令字) 寫入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)value，從函數(shù)中可以看出，先發(fā)送命地址，然后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

此函數(shù)是向nRF24L01指定的寄存器地址reg(命令字) 寫入多個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容是以pBuf 為首地址的數(shù)組, 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度由bytes定義。該函數(shù)主要用于發(fā)送地址和數(shù)據(jù)。

NRF24L01所有的配置都在配置寄存器中，且配置寄存器都是通過(guò)SPI口來(lái)進(jìn)行配置。此函數(shù)是將nRF24L01設(shè)置為Enhance ShockBurstTM接收模式，其工作原理可查閱nRF24L01的技術(shù)資料。需注意的是接收地址必須和發(fā)送地址一樣，否則接收不到數(shù)據(jù)。CE拉高后必需讓高電平維持至少10 μs時(shí)間，否則將出現(xiàn)不能連續(xù)接收的情況。

2.3 讀操作read函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在讀操作函數(shù)中，先調(diào)用RX_Mode()子函數(shù)將nRF24L01設(shè)置為Enhance ShockBurstTM接收模式，判斷NRF24L01是否接收到數(shù)據(jù)，即判斷NRF24L01狀態(tài)寄存器的第6位是否為1,當(dāng)為1說(shuō)明已接收到數(shù)據(jù)，可以讀取RX FIFO中的數(shù)值，最后將讀出的值通過(guò)函數(shù)copy_to_user()傳給用戶。

3 驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試結(jié)果

要驗(yàn)證編寫的驅(qū)動(dòng)程序是否正確，首先需要有數(shù)據(jù)的發(fā)送（51單片機(jī)控制nRF24L01模塊連續(xù)發(fā)送4字節(jié)的數(shù)據(jù)，分別是4,2,6,8），然后編寫一應(yīng)用程序來(lái)測(cè)試所接收的數(shù)據(jù)是否正確。該應(yīng)程序首先打開(kāi)該字符設(shè)備，之后每隔1s調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的read()函數(shù)，并將驅(qū)動(dòng)程序傳送給用戶程序值的在串口終端打印顯示出來(lái)，顯示結(jié)果如圖3所示。圖中spi read即為驅(qū)動(dòng)程序返回給應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，其余為編寫驅(qū)動(dòng)程序時(shí)所加的調(diào)試信息的調(diào)試信息，從圖中可看出nRF24L01接收到的數(shù)據(jù)與另一nRF24L01發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了nRF24L01驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。

圖3 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了新型無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01的特性和具體應(yīng)用，結(jié)合 ARM和Linux系統(tǒng)給出了具體的硬、軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)ARM的SPI接口實(shí)現(xiàn)了NRF24L01的無(wú)線收發(fā)，可供無(wú)線數(shù)據(jù)傳系統(tǒng)應(yīng)用。

[1]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]李亞鋒.ARM嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)例開(kāi)發(fā)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[3]陳渝,李明,楊曄,等.源碼開(kāi)放的嵌入式系統(tǒng)軟件分析與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[4]王學(xué)龍.嵌入式ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[5]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[6]宋寶華.設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解[M].2版.北京:人民郵電出版社,2010.

[7]劉靖,陳在平,李其林.基于nRF24L01的無(wú)線數(shù)字傳輸系統(tǒng)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007(3):38-40.

[8]李進(jìn),王太宏,張恩迪.嵌入式linux中nRF24L01驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011(9):226-229.