基于ARM嵌入式系统的RFID驱动程序设计

RFID具有读取速度快、读取距离远、储存信息量大、标签上数据可加密、使用寿命长、工作环境适应性强等多种优点，已经在各领域广泛应用[1]。
    将RFID技术与嵌入式系统相结合，将射频识别模块嵌入到嵌入式系统中，在嵌入式Linux下通过设计驱动程序实现射频模块的收发功能。嵌入式RFID系统增加了RFID技术的通用性和可移植性，丰富了嵌入式系统通信接口外设功能，提升了嵌入式技术在无线通信领域的发展空间。
    当前的嵌入式系统中并不支持RFID系统，所以要进行硬件和软件两方面的扩展。硬件方面主要根据nRF905无线收发器的电气特性进行接口扩展，利用基于ARM9嵌入式平台的扩展口对nRF905进行控制；软件方面利用Linux内核良好的移植性和扩展性，编写驱动程序控制射频模块的收发功能，在底层驱动以收集和分组数据并传递给上层应用程序，由上层应用程序与用户进行交互。本文所研究的基于嵌入式系统的RFID驱动，将为嵌入式RFID系统提供底层软硬件接口程序，为嵌入式内核增添RFID管理机制，为上层应用程序提供良好服务，降低嵌入式RFID的开发难度，缩短开发周期，从而降低其成本，使RFID的应用更加普及。
1 硬件电路的实现
    图1是nRF905无线收发器接口扩展的硬件电路原理图，硬件电路的实现主要基于S3C2440 ARM9微处理器和单片nRF905无线收发器的互联，以及根据nRF905电气特性所做的一些外接电路。

    S3C2440是一款采用ARM920T内核的高性能32 bit处理器，其主频高达405 MHz，采用5级流水线和哈佛结构。S3C2440包括两个SPI接口，每个接口分别有两个8 bit数据移位寄存器用于发送和接收。在SPI发送期间，数据同时发送（串行移出）和接收（串行移入）[2]。因此，利用处理器的SPI接口，可以很方便地用SPI接口与nRF905无线收发模块进行数据传输。
    单片nRF905无线收发器工作在433/868/915 MHz的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。其所具有的ShockBurst工作模式可以自动产生前导码和CRC。可以通过SPI接口进行编程配置。
    nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理器放到芯片内，nRF905提供给微控制器一个SPI接口，速率由专为控制器设定的接口速度决定。nRF905通过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时，降低数字应用部分的速率来降低在应用中的平均电流消耗。在ShockBurst接收模式中，地址匹配(AM)和数据准备就绪(DR)信号通知微处理器一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst发送模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪(DR)信号通知微处理器数据传输已经完成[3]。
2 RFID驱动程序设计
2.1 整体驱动设计思想
    RFID驱动程序的设计采用自底而上(Down-Top)的方法。优先设计底层部分即SPI接口的驱动程序，然后再设计上层RFID驱动。这种自低而上设计方法可以把大模块分散为几个小模块，把大设计分为小设计，便于开发验证，并且符合Linux模块化的设计思想，是一种高效的设计方法。
    nRF905采用SPI接口与外界进行通信，因此底层SPI驱动主要完成nRF905的SPI和微处理器S3C2440的SPI模块间的通信。上层RF驱动程序通过SPI接口向nRF905发送指令和数据，最终由nRF905的主机控制器控制射频收发器完成数据收发，实现射频模块间的无线通信。
2.2 SPI驱动程序设计
    在硬件电路中，微处理器S3C2440的SPI0模块与nRF905中的SPI接口相连接。SPI驱动的作用即完成主SPI与nRF905中从SPI的数据传输。为了便于验证功能，提高项目开发效率，底层SPI驱动设计为独立的模块，并且进行调试，在SPI驱动设计的基础上，完成上层RF驱动。
    在ARM9嵌入式平台的内核Linux2.6.12中，不包含SPI驱动程序，而在Linux内核之后的版本中包含了SPI驱动。这样，就可以移植新版本中的SPI驱动到本嵌入式平台Linux2.6.12中。虽然这种SPI驱动通用性和功能性都较强，但其代码量大，较多功能并不符合本设计的要求。因此，本设计选择重新编写SPI底层驱动，简化其功能，建立环形缓冲区，提高数据收发效率。
    SPI驱动程序作为设备文件，包含write、read、open、release、ioctl等几个操作[4]，其中关键性的硬件操作为读写操作，写操作的主要作用是把用户数据拷贝到内核缓冲区，并控制微控制器中的主SPI发送数据到nRF905中；读操作与写操作类似，而过程相反，即把主SPI接到的数据拷贝到内核缓冲区，再由内核缓冲区拷贝到用户空间申请好的数据结构中。对SPI设备数据接收的监控，驱动程序采用中断的方式来通知系统SPI数据是否收发完毕，在SPI设备每发送完一组数据或接收到一组数据后，就会触发中断，信号由IRQ线进入，传入CPU进行中断处理。
    SPI驱动程序的写过程包括建立数据结构、建立环形缓冲区，从用户空间把数据拷贝到数据结构中、调用write函数把数据拷贝进环形缓冲区中、写满后发送第一组数据到发送寄存器。当SPI发送寄存器中的数据发送完毕后，会发出中断信号，触发微处理器中断，系统进入中断上下文。为了缩短中断处理时间，提高中断处理效率，驱动程序中采用了顶/底半部的处理方法[5]，即中断处理时间尽量地短，在中断处理例程中调用tasklet调度函数，将需要较多时间的中断处理发到tasklet(即底半部)中处理。在tasklet中会把环形缓冲区的数据写入发送寄存器，最终由SPI控制器发送出去。
    SPI驱动程序的读过程和写过程类似，SPI接收寄存器接到数据后触发中断。CPU接到中断信号后进入中断处理例程，调度tasklet进入底半部进行中断处理，把接收寄存器中的数据拷贝到环形缓冲区中，然后唤醒正在休眠的进程，由read函数把环形缓冲区中的数据拷贝到申请好的数据结构中，再拷贝至用户空间。
2.3 RFID驱动程序设计
    完成SPI底层驱动后，上层RFID驱动的内容主要是对nRF905配置寄存器进行配置，包括发送接收数据的字节数、目标地址、工作模式、时钟频率等通过nRF905自定义的SPI指令写入寄存器中。因此要对SPI驱动中的write/read函数进行封装，通过调用SPI驱动中的函数完成整体驱动的寄存器配置和数据传输功能。
    RFID驱动程序作为设备文件，同样分为write、read、open、release、ioctl等几个操作。RFID驱动程序的写操作过程：首先将用户空间中的数据拷贝至数据结构中；然后使nRF905进入Standby模式，调用SPIwrite函数对数据寄存器和地址寄存器进行配置，把发送数据和目标地址写入本地nRF905，之后进入ShockBurst发送模式，由本地nRF905向目标nRF905发送数据；最后进程进入休眠状态，等待数据准备信号DR触发中断，由中断处理例程唤醒进程，完成数据发送。图2为RFID的发送流程图。[page]

    RFID的读操作将判断缓冲区是否为空，如果不为空，就把缓冲区中的数据拷贝至数据结构中，并拷至用户空间中；如果为空，进程就会进入休眠，等待缓冲区接收到数据后，进入中断唤醒进程。在进入ShockBurst RX模式后，本地nRF905会自动监测空中的信息，在nRF905发现和接收频率相同的载波时，载波检测信号CD被置高，触发中断，在中断例程中只是延时一段时间，等待nRF905接收到有效的目的地址时，地址匹配信号置高。当nRF905接收到有效的数据包后，数据准备就绪信号DR会触发中断，进入中断例程，进入Standby模式，把接收到的数据通过SPI接口读入缓冲区内，而后唤醒进程，把缓冲区中的数据拷贝至用户空间中。当所有的数据被读出后，nRF905的AM和DR信号线会被置低。nRF905切换到下一状态。RFID驱动接收流程如图3所示。

3 功能测试
    测试主要分为两部分，首先对底层SPI接口部分做调试，然后在此基础上，对RFID驱动进行功能测试。
    硬件方面，利用S3C2440开发板的扩展口与nRF905模块连接，扩展口中用到的GPIO资源在驱动程序中设置。另外，用RS-232串口将开发板与PC机相连，利用内核的Debug功能[6]，通过PC机对开发板进行控制，完成驱动加载和应用程序的运行。
    软件方面，基于S3C2440的嵌入式平台需要完整的嵌入式操作系统资源，包括bootloader、kernel、文件系统。在对内核进行剪裁后，将bootloader、kernel、文件系统通过JTAG烧入NAND Flash中。操作系统要保证内核、文件系统以及硬件设备正常运行。
3.1 SPI驱动功能测试
    SPI驱动测试主要测试驱动程序的功能，测试驱动程序是否能够控制SPI主从设备正确传输数据。资源包括S3C2440开发平台、Linux2.6.12内核源码包、示波器。系统运行后，加载SPI驱动，运行编写的上层应用程序进行数据收发，并用示波器观察波形。
3.2 RFID驱动程序测试
    在测试SPI驱动成功后，重新启动系统，待系统成功运行后，加载RFID驱动程序，运行为其编写的测试程序，测试两nRF905无线模块间的通信。S3C2440的GPIO资源与nRF905信号线对应关系如下：
    Power down模式：    PWR    GPJ12
    载波检测输出：    CD        GPG6
    地址匹配输出：    AM        GPB9
    数据就绪输出：    DR        GPG1
    SPI主入从出：    MISO    GPE11
    SPI主出从入：    MOSI    GPE12
    SPI时钟：        SCK        GPE13
    SPI使能：        CSN        GPB10
    发送/接收使能：    TRX_CE    GPG8
    发送/接收模式：    TX_EN    GPG0
    两个平台分别为：ARM9嵌入式平台和MSP430单片机平台。在ARM平台运行发送测试程序，而单片机平台运行接收测试程序，之后交换。接收端将接收到发送端发送的数据，并将数据在PC机终端显示。
    当ARM发送端的应用程序中发送字符串“aaaaaaaa”时，单片机端的nRF905模块接收寄存器中收到转换后的ASCII码“97”；当ARM端作为接收端而单片机作为发送端时，ARM端运行接收程序后，在用户空间即显示终端上显示了接收到的数据“abcd…”。表明此RFID驱动程序成功实现了控制nRF905无线收发器进行数据接收传输的功能。
    本文介绍了一种基于ARM9 S3C2440嵌入式平台扩展RFID驱动的设计方案，设计了硬件扩展电路和相应的驱动程序，通过了并测试。实现了嵌入式平台间的RFID短距离即时通信功能。嵌入式RFID驱动将推动RFID技术在应用领域中的发展，将会支持更多的射频硬件，根据此驱动可以开发更多的应用程序，满足多种需求。
参考文献
[1] 董丽华.RFID技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] SAMSUNG.S3C2440A user’s manual reltminary[OL]. Revision0，2004.
[3] NORDIC Semiconductor.nRF905_rev1_1[OL].2004：1-36.
[4] 刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，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内核(第三版)[M].陈莉君，张琼声，张宏伟，译.北京：中国电力出版社，2007.