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。