ARM和WinCE6.0下nRF24L01的驱动设计

引言
   nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。它在无线数据通讯、无线门禁、遥感勘测、工业传感器和玩具中都有应用。
   随着测控技术的发展，nRF24L01与单片机组成的系统进行无线测控的实例已经有很多，如基于nRF24L01的无线温度监测系统、基于nRF24 L01的近距离无线数据传输系统等等。近年来，随着ARM和嵌入式WinCE系统的迅速发展，由于在WinCE系统下nRF24L01和ARM的通信缺乏驱动，致使两者之间不能直接通信，一般的解决方法是借助于第三方单片机的串行口来进行两者的通信。这种方式的不足之处在于，由于要借助于第三方单片机，使得成本增加且通信速度下降。nRF24L01驱动的设计与实现正好添补了这一空白，使WinCE系统和nRF24L01可以直接通信进行无线数据收发。
   1 WinCE流式驱动模型
   在WinCE系统中有4种驱动模型，其中流式接口设备驱动模型和本地设备驱动模型是可以由用户来开发的。nRF24L01可以看作是一种流式接口设备，所以选用流式接口设备驱动模型来编写驱动较为合适。
   1．1 流式接口驱动程序的体系结构
   如图1所示，流式接口驱动程序的体系结构由5部分组成，分别是应用程序、FileSys．exe、设备管理器、流式接口驱动程序和硬件。
   
   图1中阴影部分是由用户编写程序来完成，白色部分是由WinCE系统自身提供，用户不能修改。在应用程序使用文件API对设备进行访问时，文件API调用被操作系统转发到FileSys．exe进程中；若发现是对设备的访问，则FileSys．exe就会把操作交给设备管理器；然后，设备管理器根据具体操作调用不同流式接口驱动中提供的接口；最后，由流式接口驱动程序负责与硬件交互。
   从体系结构中可知，流式接口驱动体系是把设备抽象作为文件进行操作的。所以编写流式接口驱动就是将文件操作应有的打开、关闭、读取、写入和移动文件指针的操作在驱动程序中以函数的形式实现，这些函数有其标准的定义形式，称之为流接口函数。但对于驱动程序而言除了和文件一样的标准操作外还需要驱动程序的加载、卸载等流接口函数。下面将介绍nRF24L01驱动中主要用到的流接口函数：
   ①XXX_Open()函数，功能是打开设备准备读写，对应的文件操作函数是CreatFile()。
   ②XXX_Close()函数，功能是关闭设备，对应文件操作函数是CloseHandle()。
   ③XXX_Init()函数，功能是初始化设备，在系统启动时由设备管理器渊用。
   ④XXX_Read()函数，功能是读取设备中的数据，对应文件操作函数为ReadFile()。
   ⑤XXX_Write()函数，功能是写入数据到设备中，对应文件操作函数为WriteFile()。
   ⑥XXX_IOControl()函数，功能是对设备发送控制命令，对应文件操作DeviceIOControl()。
   其中XXX是驱动程序在注册表中注册的设备名称。
   2 硬件设计
   ARM芯片选择三星公司生产的S3C2440，该芯片工作频率为400 MHz，最高可达533 MHz，可稳定运行WinCE 6．0操作系统。nRF24L01是通过SPI总线协议和单片机进行通信的，在WinCE 6．0中SPI通信的实现可以通过ARM的SPI接口，也可以通过GPIO端口软件模拟的方式实现。在本次设计中选用了GPIO端口软件模拟的方式。硬件连接如图2所示。
   
   3 nRF24L01驱动的实现
   3．1 主要实现的函数
   (1)NRF_Init()设备初始化函数
   在该函数中主要进行GPF端口的初始化，接收完成同步事件和接收线程的创建主要的核心代码如下：
   
   

   为了方便映射虚拟地址，在本驱动中将所用到的特殊功能寄存器的虚拟地址由自定义类CS3c2440SFR来进行组织。其中“sfr”是类CS3c2440SFR的实例，D()是一个自定义宏，其源码为“#define D(v_add)(*(volatile unsigned long*)v_add)”。
   (2)NRF_Open()函数
   NRF Open()函数主要实现了对初始化是否成功的判断及对nRF24L01进行初始配制。核心代码如下：
   SPI_Write_Bur(WRITE REG+TX_ADDR，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH)； ／／写本地默认地址
   SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0，RX_ADDRESS，RX_ADR_WIDTH)； ／／写接收端默认地址
   SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA，0x01)；
   SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR，0x01)；
   SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH，0)；／／设置信道工作为2．4 GHz，收发必须一致
   SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0，RX_PLOADWIDTH)；／／设置接收数据长度
   SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP，0x07)；／／设置发射速率为1 MHz，发射功率为最大值0 dB
   (3)NRF_Read()函数
   NRE_Read()函数实现了对接收缓冲区的读取并传送至应用程序。由于nRF24L01一次最多能接收32个字节的信息，所以该函数一次最多能传送32字节的信息。主要核心代码如下：
   
   (4)NRF_Write()函数
   NRE_Write()函数主要实现发送数据写入发送缓冲区并发送的功能。主要核心代码如下：
   
   
   (5)NRF_IOControl()函数
   NRF_IOControl()函数主要实现了对本机地址的配置、接收方地址的配置、发送模式和接收模式的配置等。
   3．2 驱动设计重点
   (1)如何实现特殊功能寄存器的虚拟地址映射
   由于WinCE 6．0对虚拟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()函数来分配和释放虚拟地址，它们的使用会产生编译错误。解决方式是使用CEDDK库中的MmMapIoSpace()函数和MmUnmapIo Space()函数来实现虚拟地址的分配和释放。
   (2)如何实现数据的接收
   在数据接收中采用多线程编程，在设备初始化时调用CreateThread()函数创建一新线程对应线程函数DWORD AcceptThread()。
   (3)AcceptThread()函数的实现
   在该函数中主要进行中断配置、中断同步事件的创建、中断的撤除等。使用的API函数主要有：KernclIoControl()用来获取逻辑巾断号；InterruptInitialize()逻辑中断和同步事件关联；WaitForSingleObject()阻塞线程并等待中断同步事件发生，中断同步事件发生即接收完一次数据，则使接收完成同步事件有效，可通知应用程序数据已接收完成；(InterruptDone)函数中断结束，并撤除相应的中断标志位准备响应下次中断。
   4 驱动测试程序
   4．1 数据发送
   数据发送步骤如下：
   ①调用CreateFile()函数打开设备，核心代码如下：
   NRFdriver=CreateFilc(L“NRF1：”，GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN EXISTING，0，NULL)；
   ②通过DeviceIoControl()函数设置为发送模式并使用默认地址(默认地址在驱动程序中配置完成)，核心代码如下：
   DevlccIoControl(NRFdriver．IS SEND STATUS，NULL，0，NULL，0．NULL，NULL)；
   ③调用WriteFile函数完成发送，核心代码如下：
   WriteFile(NRFdriver，(LPCVOID)p，strL，NULL，NULL)；
   4．2 数据接收
   数据接收步骤如下：
   ①打开设备，方法同4．1节步骤①。
   ②通过DeviceIocontrol()函数设置为接收模式并使用默认地址，核心代码如下：
   DeviceIoControl(NRFdrivcr，IS_ACCEPT_STATUS，NULL，0，NULL，0，NULL，NULL)；
   ③创建接收线程及与驱动中同名的接收完成同步事件，在接收线程中调用WaitForSingleObject()函数等待有效。如有效，则调用ReadFi le()函数读取数据并显示。核心代码如下：
   
   以上驱动及测试程序均是在VC2008环境中完成。在WinCE6．0系统中运行测试程序还应该在注册表中导入如下注册信息：
   [HKEY_LOCAL_MACHINE＼Drivers＼BuiltIn＼NRF24L01]
   “Prefix”=“NRF”
   “Dll”=“NRFDriver．DLL”
   以上内容中，驱动程序注册的设备名称为“NRF”，驱动程序名为“NRFDriver．dll”。
   5 测试效果
   5．1 接收测试
   采用MSP430F149开发板和nRF24L01模块搭建发射端，然后利用该发射端每秒发送32个字节的数据，数据内容为1～32。ARM接收端接收到数据并将它显示到LCD上。
   5．2 发送测试
   用MSP430F149开发板和nRF24L01模块搭建接收端，然后利用MSP430F149的串行口将接收到的数据发送到计算机，通过串口调试助手就可以观察到ARM端发送来的数据。
   结语
   驱动程序的编写是嵌入式系统开发的重要核心步骤。文中详细阐述了nRF24L01驱动程序和测试程序的开发，通过测试该驱动程序能够较好地完成无线通信的功能，满足实际需求。