环形缓冲区基于嵌入式系统的RFID驱动程序设计概述

娱乐新闻 2020-03-0369未知admin

  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的难度,缩短周期,从而降低其成本,使RFID的应用更加普及。

  图1是nRF905无线收发器接口扩展的硬件电原理图,硬件电的实现主要基于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。

  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 MHz的ISM频段。由一个完全集成的频率调制器、环形缓冲区一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个和一个调节器组成。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协议有关的高速处理器放到芯片内,nRF905提供给微一个SPI接口,速率由专为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)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)通知微处理器数据传输已经完成[3]。

  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的主机控制射频收发器完成数据收发,实现射频模块间的无线 SPI驱动程序设计

  在硬件电中,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,提高项目效率,底层SPI驱动设计为的模块,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。

  、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,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,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,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。

  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DR触发中断,由中断处理例程进程,完成数据发送。图2为RFID的发送流程图。环形缓冲区

  RFID的读操作将判断缓冲区是否为空,环形缓冲区如果不为空,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,地址匹配置高。当nRF905接收到有效的数据包后,数据准备就绪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

  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。

  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,根据此驱动可以更多的应用程序,满足多种需求。

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