RFID具有讀取速度快、讀取距離遠、儲存信息量大、標簽上數據可加密、使用壽命長、工作環境適應性強等多種優點，已經在各領域廣泛應用［1］。

將RFID技術與嵌入式系統相結合，將射頻識別模塊嵌入到嵌入式系統中，在嵌入式Linux下通過設計驅動程序實現射頻模塊的收發功能。嵌入式RFID系統增加了RFID技術的通用性和可移植性，豐富了嵌入式系統通信接口外設功能，提升了嵌入式技術在無線通信領域的發展空間。

當前的嵌入式系統中并不支持RFID系統，所以要進行硬件和軟件兩方面的擴展。硬件方面主要根據nRF905無線收發器的電氣特性進行接口擴展，利用基于ARM9嵌入式平臺的擴展口對nRF905進行控制；軟件方面利用Linux內核良好的移植性和擴展性，編寫驅動程序控制射頻模塊的收發功能，在底層驅動以收集和分組數據并傳遞給上層應用程序，由上層應用程序與用戶進行交互。本文所研究的基于嵌入式系統的RFID驅動，將為嵌入式RFID系統提供底層軟硬件接口程序，為嵌入式內核增添RFID管理機制，為上層應用程序提供良好服務，降低嵌入式RFID的開發難度，縮短開發周期，從而降低其成本，使RFID的應用更加普及。

1 硬件電路的實現

圖1是nRF905無線收發器接口擴展的硬件電路原理圖，硬件電路的實現主要基于S3C2440 ARM9微處理器和單片nRF905無線收發器的互聯，以及根據nRF905電氣特性所做的一些外接電路。

S3C2440是一款采用ARM920T內核的高性能32 bit處理器，其主頻高達405 MHz，采用5級流水線和哈佛結構。S3C2440包括兩個SPI接口，每個接口分別有兩個8 bit數據移位寄存器用于發送和接收。在SPI發送期間，數據同時發送（串行移出）和接收（串行移入）［2］。因此，利用處理器的SPI接口，可以很方便地用SPI接口與nRF905無線收發模塊進行數據傳輸。

單片nRF905無線收發器工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調節器組成。其所具有的ShockBurst工作模式可以自動產生前導碼和CRC。可以通過SPI接口進行編程配置。

nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理/時鐘覆蓋。通過將與RF協議有關的高速信號處理器放到芯片內，nRF905提供給微控制器一個SPI接口，速率由專為控制器設定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時，降低數字應用部分的速率來降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst接收模式中，地址匹配（AM）和數據準備就緒（DR）信號通知微處理器一個有效的地址和數據包已經各自接收完成。在ShockBurst發送模式中，nRF905自動產生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒（DR）信號通知微處理器數據傳輸已經完成［3］。

2 RFID驅動程序設計

2.1 整體驅動設計思想

RFID驅動程序的設計采用自底而上（Down-Top）的方法。優先設計底層部分即SPI接口的驅動程序，然后再設計上層RFID驅動。這種自低而上設計方法可以把大模塊分散為幾個小模塊，把大設計分為小設計，便于開發驗證，并且符合Linux模塊化的設計思想，是一種高效的設計方法。

nRF905采用SPI接口與外界進行通信，因此底層SPI驅動主要完成nRF905的SPI和微處理器S3C2440的SPI模塊間的通信。上層RF驅動程序通過SPI接口向nRF905發送指令和數據，最終由nRF905的主機控制器控制射頻收發器完成數據收發，實現射頻模塊間的無線通信。

2.2 SPI驅動程序設計

在硬件電路中，微處理器S3C2440的SPI0模塊與nRF905中的SPI接口相連接。SPI驅動的作用即完成主SPI與nRF905中從SPI的數據傳輸。為了便于驗證功能，提高項目開發效率，底層SPI驅動設計為獨立的模塊，并且進行調試，在SPI驅動設計的基礎上，完成上層RF驅動。

在ARM9嵌入式平臺的內核Linux2.6.12中，不包含SPI驅動程序，而在Linux內核之后的版本中包含了SPI驅動。這樣，就可以移植新版本中的SPI驅動到本嵌入式平臺Linux2.6.12中。雖然這種SPI驅動通用性和功能性都較強，但其代碼量大，較多功能并不符合本設計的要求。因此，本設計選擇重新編寫SPI底層驅動，簡化其功能，建立環形緩沖區，提高數據收發效率。

SPI驅動程序作為設備文件，包含write、read、open、release、ioctl等幾個操作［4］，其中關鍵性的硬件操作為讀寫操作，寫操作的主要作用是把用戶數據拷貝到內核緩沖區，并控制微控制器中的主SPI發送數據到nRF905中；讀操作與寫操作類似，而過程相反，即把主SPI接到的數據拷貝到內核緩沖區，再由內核緩沖區拷貝到用戶空間申請好的數據結構中。對SPI設備數據接收的監控，驅動程序采用中斷的方式來通知系統SPI數據是否收發完畢，在SPI設備每發送完一組數據或接收到一組數據后，就會觸發中斷，信號由IRQ線進入，傳入CPU進行中斷處理。

SPI驅動程序的寫過程包括建立數據結構、建立環形緩沖區，從用戶空間把數據拷貝到數據結構中、調用write函數把數據拷貝進環形緩沖區中、寫滿后發送第一組數據到發送寄存器。當SPI發送寄存器中的數據發送完畢后，會發出中斷信號，觸發微處理器中斷，系統進入中斷上下文。為了縮短中斷處理時間，提高中斷處理效率，驅動程序中采用了頂/底半部的處理方法［5］，即中斷處理時間盡量地短，在中斷處理例程中調用tasklet調度函數，將需要較多時間的中斷處理發到tasklet（即底半部）中處理。在tasklet中會把環形緩沖區的數據寫入發送寄存器，最終由SPI控制器發送出去。

SPI驅動程序的讀過程和寫過程類似，SPI接收寄存器接到數據后觸發中斷。CPU接到中斷信號后進入中斷處理例程，調度tasklet進入底半部進行中斷處理，把接收寄存器中的數據拷貝到環形緩沖區中，然后喚醒正在休眠的進程，由read函數把環形緩沖區中的數據拷貝到申請好的數據結構中，再拷貝至用戶空間。

2.3 RFID驅動程序設計

完成SPI底層驅動后，上層RFID驅動的內容主要是對nRF905配置寄存器進行配置，包括發送接收數據的字節數、目標地址、工作模式、時鐘頻率等通過nRF905自定義的SPI指令寫入寄存器中。因此要對SPI驅動中的write/read函數進行封裝，通過調用SPI驅動中的函數完成整體驅動的寄存器配置和數據傳輸功能。

RFID驅動程序作為設備文件，同樣分為write、read、open、release、ioctl等幾個操作。RFID驅動程序的寫操作過程：首先將用戶空間中的數據拷貝至數據結構中；然后使nRF905進入Standby模式，調用SPIwrite函數對數據寄存器和地址寄存器進行配置，把發送數據和目標地址寫入本地nRF905，之后進入ShockBurst發送模式，由本地nRF905向目標nRF905發送數據；最后進程進入休眠狀態，等待數據準備信號DR觸發中斷，由中斷處理例程喚醒進程，完成數據發送。圖2為RFID的發送流程圖。

RFID的讀操作將判斷緩沖區是否為空，如果不為空，就把緩沖區中的數據拷貝至數據結構中，并拷至用戶空間中；如果為空，進程就會進入休眠，等待緩沖區接收到數據后，進入中斷喚醒進程。在進入ShockBurst RX模式后，本地nRF905會自動監測空中的信息，在nRF905發現和接收頻率相同的載波時，載波檢測信號CD被置高，觸發中斷，在中斷例程中只是延時一段時間，等待nRF905接收到有效的目的地址時，地址匹配信號置高。當nRF905接收到有效的數據包后，數據準備就緒信號DR會觸發中斷，進入中斷例程，進入Standby模式，把接收到的數據通過SPI接口讀入緩沖區內，而后喚醒進程，把緩沖區中的數據拷貝至用戶空間中。當所有的數據被讀出后，nRF905的AM和DR信號線會被置低。nRF905切換到下一狀態。RFID驅動接收流程如圖3所示。

3 功能測試

測試主要分為兩部分，首先對底層SPI接口部分做調試，然后在此基礎上，對RFID驅動進行功能測試。

硬件方面，利用S3C2440開發板的擴展口與nRF905模塊連接，擴展口中用到的GPIO資源在驅動程序中設置。另外，用RS-232串口將開發板與PC機相連，利用內核的Debug功能［6］，通過PC機對開發板進行控制，完成驅動加載和應用程序的運行。

軟件方面，基于S3C2440的嵌入式平臺需要完整的嵌入式操作系統資源，包括bootloader、kernel、文件系統。在對內核進行剪裁后，將bootloader、kernel、文件系統通過JTAG燒入NAND Flash中。操作系統要保證內核、文件系統以及硬件設備正常運行。

3.1 SPI驅動功能測試

SPI驅動測試主要測試驅動程序的功能，測試驅動程序是否能夠控制SPI主從設備正確傳輸數據。資源包括S3C2440開發平臺、Linux2.6.12內核源碼包、示波器。系統運行后，加載SPI驅動，運行編寫的上層應用程序進行數據收發，并用示波器觀察波形。

3.2 RFID驅動程序測試

在測試SPI驅動成功后，重新啟動系統，待系統成功運行后，加載RFID驅動程序，運行為其編寫的測試程序，測試兩nRF905無線模塊間的通信。S3C2440的GPIO資源與nRF905信號線對應關系如下：

Power down模式：PWRGPJ12

載波檢測輸出：CDGPG6

地址匹配輸出：AMGPB9

數據就緒輸出：DRGPG1

SPI主入從出：MISOGPE11

SPI主出從入：MOSIGPE12

SPI時鐘：SCKGPE13

SPI使能：CSNGPB10

發送/接收使能：TRX_CEGPG8

發送/接收模式：TX_ENGPG0

兩個平臺分別為：ARM9嵌入式平臺和MSP430單片機平臺。在ARM平臺運行發送測試程序，而單片機平臺運行接收測試程序，之后交換。接收端將接收到發送端發送的數據，并將數據在PC機終端顯示。

當ARM發送端的應用程序中發送字符串“aaaaaaaa”時，單片機端的nRF905模塊接收寄存器中收到轉換后的ASCII碼“97”；當ARM端作為接收端而單片機作為發送端時，ARM端運行接收程序后，在用戶空間即顯示終端上顯示了接收到的數據“abcd…”。表明此RFID驅動程序成功實現了控制nRF905無線收發器進行數據接收傳輸的功能。

本文介紹了一種基于ARM9 S3C2440嵌入式平臺擴展RFID驅動的設計方案，設計了硬件擴展電路和相應的驅動程序，通過了并測試。實現了嵌入式平臺間的RFID短距離即時通信功能。嵌入式RFID驅動將推動RFID技術在應用領域中的發展，將會支持更多的射頻硬件，根據此驅動可以開發更多的應用程序，滿足多種需求。

參考文獻

［1］ 董麗華.RFID技術與應用［M］。北京：電子工業出版社，2008.

［2］ SAMSUNG.S3C2440A user’s manual reltminary［OL］。 Revision0，2004.

［3］ NORDIC Semiconductor.nRF905_rev1_1［OL］.2004：1-36.

［4］ 劉淼。嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發［M］。 北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［5］ Jonathan Corbet，Alessandro Rubini，Greg Kroah-Hartman. Linux device drivers［M］.Sebastopol：O’Reilly Media，2005.

［6］ BOVERT D P，MARCO C著。深入理解Linux內核（第三版）［M］。陳莉君，張瓊聲，張宏偉，譯。北京：中國電力出版社，2007.

周 鵬，侯立剛，彭曉宏，暢 達