ARM和WinCE6．0下nRF24L01的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著嵌入式WinCE系統(tǒng)的發(fā)展和近距離無(wú)線(xiàn)通信的廣泛使用，有必要為近距離無(wú)線(xiàn)通信芯片編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)。由于nRF24L01在WinCE系統(tǒng)下驅(qū)動(dòng)的缺乏，使得WinCE與nRF24L01芯片之間的直接通信成為困難。本文的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)正好解決了這一難題。

關(guān)鍵詞：WinCE；nRF24L01；驅(qū)動(dòng)程序

引言

nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。它在無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、無(wú)線(xiàn)門(mén)禁、遙感勘測(cè)、工業(yè)傳感器和玩具中都有應(yīng)用。

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，nRF24L01與單片機(jī)組成的系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)測(cè)控的實(shí)例已經(jīng)有很多，如基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于nRF24 L01的近距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等等。近年來(lái)，隨著ARM和嵌入式WinCE系統(tǒng)的迅速發(fā)展，由于在WinCE系統(tǒng)下nRF24L01和ARM的通信缺乏驅(qū)動(dòng)，致使兩者之間不能直接通信，一般的解決方法是借助于第三方單片機(jī)的串行口來(lái)進(jìn)行兩者的通信。這種方式的不足之處在于，由于要借助于第三方單片機(jī)，使得成本增加且通信速度下降。nRF24L01驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)正好添補(bǔ)了這一空白，使WinCE系統(tǒng)和nRF24L01可以直接通信進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

1 WinCE流式驅(qū)動(dòng)模型

在WinCE系統(tǒng)中有4種驅(qū)動(dòng)模型，其中流式接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型和本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型是可以由用戶(hù)來(lái)開(kāi)發(fā)的。nRF24L01可以看作是一種流式接口設(shè)備，所以選用流式接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型來(lái)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)較為合適。

1．1 流式接口驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，流式接口驅(qū)動(dòng)程序的體系結(jié)構(gòu)由5部分組成，分別是應(yīng)用程序、FileSys．exe、設(shè)備管理器、流式接口驅(qū)動(dòng)程序和硬件。

圖1中陰影部分是由用戶(hù)編寫(xiě)程序來(lái)完成，白色部分是由WinCE系統(tǒng)自身提供，用戶(hù)不能修改。在應(yīng)用程序使用文件API對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，文件API調(diào)用被操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到FileSys．exe進(jìn)程中；若發(fā)現(xiàn)是對(duì)設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)，則FileSys．exe就會(huì)把操作交給設(shè)備管理器；然后，設(shè)備管理器根據(jù)具體操作調(diào)用不同流式接口驅(qū)動(dòng)中提供的接口；最后，由流式接口驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與硬件交互。

從體系結(jié)構(gòu)中可知，流式接口驅(qū)動(dòng)體系是把設(shè)備抽象作為文件進(jìn)行操作的。所以編寫(xiě)流式接口驅(qū)動(dòng)就是將文件操作應(yīng)有的打開(kāi)、關(guān)閉、讀取、寫(xiě)入和移動(dòng)文件指針的操作在驅(qū)動(dòng)程序中以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，這些函數(shù)有其標(biāo)準(zhǔn)的定義形式，稱(chēng)之為流接口函數(shù)。但對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序而言除了和文件一樣的標(biāo)準(zhǔn)操作外還需要驅(qū)動(dòng)程序的加載、卸載等流接口函數(shù)。下面將介紹nRF24L01驅(qū)動(dòng)中主要用到的流接口函數(shù)：

①XXX_Open()函數(shù)，功能是打開(kāi)設(shè)備準(zhǔn)備讀寫(xiě)，對(duì)應(yīng)的文件操作函數(shù)是CreatFile()。

②XXX_Close()函數(shù)，功能是關(guān)閉設(shè)備，對(duì)應(yīng)文件操作函數(shù)是CloseHandle()。

③XXX_Init()函數(shù)，功能是初始化設(shè)備，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由設(shè)備管理器淵用。

④XXX_Read()函數(shù)，功能是讀取設(shè)備中的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)文件操作函數(shù)為ReadFile()。

⑤XXX_Write()函數(shù)，功能是寫(xiě)入數(shù)據(jù)到設(shè)備中，對(duì)應(yīng)文件操作函數(shù)為WriteFile()。

⑥XXX_IOControl()函數(shù)，功能是對(duì)設(shè)備發(fā)送控制命令，對(duì)應(yīng)文件操作DeviceIOControl()。

其中XXX是驅(qū)動(dòng)程序在注冊(cè)表中注冊(cè)的設(shè)備名稱(chēng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

ARM芯片選擇三星公司生產(chǎn)的S3C2440，該芯片工作頻率為400 MHz，最高可達(dá)533 MHz，可穩(wěn)定運(yùn)行WinCE 6．0操作系統(tǒng)。nRF24L01是通過(guò)SPI總線(xiàn)協(xié)議和單片機(jī)進(jìn)行通信的，在WinCE 6．0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)GPIO端口軟件模擬的方式實(shí)現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)中選用了GPIO端口軟件模擬的方式。硬件連接如圖2所示。

3 nRF24L01驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

3．1 主要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)

(1)NRF_Init()設(shè)備初始化函數(shù)

在該函數(shù)中主要進(jìn)行GPF端口的初始化，接收完成同步事件和接收線(xiàn)程的創(chuàng)建主要的核心代碼如下：

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為了方便映射虛擬地址，在本驅(qū)動(dòng)中將所用到的特殊功能寄存器的虛擬地址由自定義類(lèi)CS3c2440SFR來(lái)進(jìn)行組織。其中“sfr”是類(lèi)CS3c2440SFR的實(shí)例，D()是一個(gè)自定義宏，其源碼為“#define D(v_add)(*(volatile unsigned long*)v_add)”。

(2)NRF_Open()函數(shù)

NRF Open()函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)初始化是否成功的判斷及對(duì)nRF24L01進(jìn)行初始配制。核心代碼如下：

SPI_Write_Bur(WRITE REG+TX_ADDR，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH)； ／／寫(xiě)本地默認(rèn)地址

SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0，RX_ADDRESS，RX_ADR_WIDTH)； ／／寫(xiě)接收端默認(rèn)地址

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA，0x01)；

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR，0x01)；

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH，0)；／／設(shè)置信道工作為2．4 GHz，收發(fā)必須一致

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0，RX_PLOADWIDTH)； ／／設(shè)置接收數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP，0x07)；／／設(shè)置發(fā)射速率為1 MHz，發(fā)射功率為最大值0 dB

(3)NRF_Read()函數(shù)

NRE_Read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收緩沖區(qū)的讀取并傳送至應(yīng)用程序。由于nRF24L01一次最多能接收32個(gè)字節(jié)的信息，所以該函數(shù)一次最多能傳送32字節(jié)的信息。主要核心代碼如下：

(4)NRF_Write()函數(shù)

NRE_Write()函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)并發(fā)送的功能。主要核心代碼如下：

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(5)NRF_IOControl()函數(shù)

NRF_IOControl()函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)本機(jī)地址的配置、接收方地址的配置、發(fā)送模式和接收模式的配置等。

3．2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)

(1)如何實(shí)現(xiàn)特殊功能寄存器的虛擬地址映射

由于WinCE 6．0對(duì)虛擬地址的映射住安全性方面提高了要求，所以WinCE 6．0中地址映射不能再使用以前版本中常用的VirtualAlloc()和VirtualFree()函數(shù)來(lái)分配和釋放虛擬地址，它們的使用會(huì)產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤。解決方式是使用CEDDK庫(kù)中的MmMapIoSpace()函數(shù)和MmUnmapIo Space()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬地址的分配和釋放。

(2)如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收

在數(shù)據(jù)接收中采用多線(xiàn)程編程，在設(shè)備初始化時(shí)調(diào)用CreateThread()函數(shù)創(chuàng)建一新線(xiàn)程對(duì)應(yīng)線(xiàn)程函數(shù)DWORD AcceptThread()。

(3)AcceptThread()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在該函數(shù)中主要進(jìn)行中斷配置、中斷同步事件的創(chuàng)建、中斷的撤除等。使用的API函數(shù)主要有：KernclIoControl()用來(lái)獲取邏輯巾斷號(hào)；InterruptInitialize()邏輯中斷和同步事件關(guān)聯(lián)；WaitForSingleObject()阻塞線(xiàn)程并等待中斷同步事件發(fā)生，中斷同步事件發(fā)生即接收完一次數(shù)據(jù)，則使接收完成同步事件有效，可通知應(yīng)用程序數(shù)據(jù)已接收完成；(InterruptDone)函數(shù)中斷結(jié)束，并撤除相應(yīng)的中斷標(biāo)志位準(zhǔn)備響應(yīng)下次中斷。

4 驅(qū)動(dòng)測(cè)試程序

4．1 數(shù)據(jù)發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送步驟如下：

①調(diào)用CreateFile()函數(shù)打開(kāi)設(shè)備，核心代碼如下：

NRFdriver=CreateFilc(L“NRF1：”，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN EXISTING，0，NULL)；

②通過(guò)DeviceIoControl()函數(shù)設(shè)置為發(fā)送模式并使用默認(rèn)地址(默認(rèn)地址在驅(qū)動(dòng)程序中配置完成)，核心代碼如下：

DevlccIoControl(NRFdriver．IS SEND STATUS，NULL，0，NULL，0．NULL，NULL)；

③調(diào)用WriteFile函數(shù)完成發(fā)送，核心代碼如下：

WriteFile(NRFdriver，(LPCVOID)p，strL，NULL，NULL)；

4．2 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收步驟如下：

①打開(kāi)設(shè)備，方法同4．1節(jié)步驟①。

②通過(guò)DeviceIocontrol()函數(shù)設(shè)置為接收模式并使用默認(rèn)地址，核心代碼如下：

DeviceIoControl(NRFdrivcr，IS_ACCEPT_STATUS，NULL，0，NULL，0，NULL，NULL)；

③創(chuàng)建接收線(xiàn)程及與驅(qū)動(dòng)中同名的接收完成同步事件，在接收線(xiàn)程中調(diào)用WaitForSingleObject()函數(shù)等待有效。如有效，則調(diào)用ReadFi le()函數(shù)讀取數(shù)據(jù)并顯示。核心代碼如下：

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以上驅(qū)動(dòng)及測(cè)試程序均是在VC2008環(huán)境中完成。在WinCE6．0系統(tǒng)中運(yùn)行測(cè)試程序還應(yīng)該在注冊(cè)表中導(dǎo)入如下注冊(cè)信息：

[HKEY_LOCAL_MACHINE＼Drivers＼BuiltIn＼NRF24L01]

“Prefix”=“NRF”

“Dll”=“NRFDriver．DLL”

以上內(nèi)容中，驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)的設(shè)備名稱(chēng)為“NRF”，驅(qū)動(dòng)程序名為“NRFDriver．dll”。

5 測(cè)試效果

5．1 接收測(cè)試

采用MSP430F149開(kāi)發(fā)板和nRF24L01模塊搭建發(fā)射端，然后利用該發(fā)射端每秒發(fā)送32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容為1～32。ARM接收端接收到數(shù)據(jù)并將它顯示到LCD上。

5．2 發(fā)送測(cè)試

用MSP430F149開(kāi)發(fā)板和nRF24L01模塊搭建接收端，然后利用MSP430F149的串行口將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，通過(guò)串口調(diào)試助手就可以觀(guān)察到ARM端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重要核心步驟。文中詳細(xì)闡述了nRF24L01驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)，通過(guò)測(cè)試該驅(qū)動(dòng)程序能夠較好地完成無(wú)線(xiàn)通信的功能，滿(mǎn)足實(shí)際需求。