基于Linux下nRF24L01设备驱动的设计

林丽蓉， 余红英， 姜世杰， 洪永学

（中北大学 信息与通信工程学院 ， 太原 030051）

0 引言

随着测控技术的发展，nRF24L01越来越多的应用于无线传输测控系统。近年来，随着ARM和嵌入式Linux系统的迅速发展，在Linux系统下nRF24L01和ARM的通信也越来越多，但大都都是用ARM的GPIO端口来模拟SPI操作时序来与nRF24L01进行通信，而ARM本身带有可灵活配置的SPI 接口这一功能却被忽视，用ARM的SPI接口和nRF24L01的通信充分利用了这一优势。

1 硬件电路设计

NRF24L01通过SPI接口和外部控制器件进行数据交换，在Linux系统中SPI通信的实现可以通过ARM的SPI接口，也可以通过ARM的GPIO端口软件模拟SPI时序的方式来实现，在本次设计中选用的SPI接口。

设计中ARM芯片选择三星公司生产的S3C2440，S3C2440包括两个SPI接口，每个SPI接口分别有两个8位的数据移位器用于发送和接收数据。在SPI的发送期间，数据同时发送（串行移出）和接收（串行移入）。S3C2440通过外接12 MHz的晶振，经时钟控制逻辑的PLL倍频后将HCLK、HCLK和PCLK设置为200 MHz、100 MHz、50 MHz，其中PCLK将用作SPI的时钟输入，NRF24L01模块与S3C2440的硬件连接电路如1图所示。

2 字符设备驱动设计

在Linux系统中一个完善的设备驱动既要有硬件的支持，同时也要符合硬件设计的驱动模块。结合nRF24L01芯片的特点以及Linux系统下设备类型的不同，可以把它认为是字符设备驱动的一种。本次设计中使用的是2.6.30的内核，根据 Linux 字符驱动的特定架构，本文设计的nRF24l01 芯片驱动由init、exit、 open、close、read 等函数结构组成，以完成不同的功能。本次设计的是nRF24l01一次连续接收4字节数据接收驱动程序，其中open、close函数没做什么工作，只是让其返回个0值。

图1 NRF24L01与S3C2440的连接电路图

2.1 驱动的加载与卸载函数的实现

当加载该模块时，系统调用init函数，init除了完成字符设备的注册外，还对相关硬件进行初始化。图2为nRF24L01的SPI写时序图，由图可知上升沿输入，下降沿输出，往NRF24L01的MOSI写入一个字节数据数据的同时nRF24L01的MISO引脚输出相应的返回值。初始化主要完成如下工作：

① 将 S3C2440 的 GPE11、GPE12、GPE13 配置为SPI接口，GPG2、GPF3、GPF4配置为输出I/O口

② S3C2440的SPI寄存器映射内存。

③ 根据 nRF24L01的写时序图，配置S3C2440 的SPI的相关寄存器，将SPI设为主机查询模式，传输格式为A格式（上升沿采样，下降沿输出），且高电平有效，传输波特率预定标寄存器的值为0x18（波特率 = PCLK / 2 / (标寄存器的值 + 1)，小于4MHz）；

④ 开SPI时钟，否则SPI是不会工作的。

卸载模块时调用exit函数，exit函数完成内存的释放。

图2 nRF24L01的SPI写时序图

2.2 相关子函数的设计

引脚配置成功后还需实现SPI的通信nRF24L01相关寄存器的初始化工作。涉及的子函数如下，函数中使用的延时函数都是2.6.30内核自带的，时间的延迟是根据nRF24L01的SPI时序图的时间要求设置的。

当往S3C2440的SPTDAT0寄存器写入一个字节后, 如果ENSCK、SPCON0寄存器的MSTR被置为，S3C2440的MOSI引脚开始向nRF24L01发送一个字节数据，并且SPRDAT0寄存器返回由nRF24L01的MISO引脚输出的数据，当SPSTA0状态寄存器的READY为1时，说明SPRDAR0的读已准备，读取SPRDAR0并返回。

此函数是向nRF24L01指定的寄存器地址 reg(命令字) 写入一个字节数据value，从函数中可以看出，先发送命地址，然后再发送数据。

此函数是向nRF24L01指定的寄存器地址reg(命令字) 写入多个字节的数据，数据内容是以pBuf 为首地址的数组, 数据长度由bytes定义。该函数主要用于发送地址和数据。

NRF24L01所有的配置都在配置寄存器中，且配置寄存器都是通过SPI口来进行配置。此函数是将nRF24L01设置为Enhance ShockBurstTM接收模式，其工作原理可查阅nRF24L01的技术资料。需注意的是接收地址必须和发送地址一样，否则接收不到数据。CE拉高后必需让高电平维持至少10 μs时间，否则将出现不能连续接收的情况。

2.3 读操作read函数的实现

在读操作函数中，先调用RX_Mode()子函数将nRF24L01设置为Enhance ShockBurstTM接收模式，判断NRF24L01是否接收到数据，即判断NRF24L01状态寄存器的第6位是否为1,当为1说明已接收到数据，可以读取RX FIFO中的数值，最后将读出的值通过函数copy_to_user()传给用户。

3 驱动程序的测试结果

要验证编写的驱动程序是否正确，首先需要有数据的发送（51单片机控制nRF24L01模块连续发送4字节的数据，分别是4,2,6,8），然后编写一应用程序来测试所接收的数据是否正确。该应程序首先打开该字符设备，之后每隔1s调用驱动程序的read()函数，并将驱动程序传送给用户程序值的在串口终端打印显示出来，显示结果如图3所示。图中spi read即为驱动程序返回给应用程序的数据，其余为编写驱动程序时所加的调试信息的调试信息，从图中可看出nRF24L01接收到的数据与另一nRF24L01发送的数据一致，说明实现了nRF24L01驱动程序设计。

图3 测试结果

4 结束语

本文详细介绍了新型无线收发芯片nRF24L01的特性和具体应用，结合 ARM和Linux系统给出了具体的硬、软件设计，通过ARM的SPI接口实现了NRF24L01的无线收发，可供无线数据传系统应用。

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