IrDA模塊與HCG8HC908AP64的紅外系統(tǒng)設計

引 言
隨著嵌入式系統(tǒng)及集成電路技術的飛速發(fā)展，針對移動手持終端的專用芯片獲得了長足發(fā)展。芯片的RAM和ROM的容量越大，在上面跑操作系統(tǒng)也越來越容易。Linux是當今流行的操作系統(tǒng)之一。由于其內(nèi)核健壯、運行高效、源碼開放，并且Linux是免費的操作系統(tǒng)，再加上其良好的可移植性等技術優(yōu)勢，使其已經(jīng)成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。設備驅(qū)動程序是Linux操作系統(tǒng)中的一個重要的組成部分，現(xiàn)在不斷升級的Linux內(nèi)核中，增加最多的就是驅(qū)動程序。由于Linux是開放源代碼的，給我們提供了一個絕好的機會來分析和改造設備驅(qū)動程序，使其滿足自己的特殊應用，這樣在嵌入式產(chǎn)品中，就可以為自己特有的外圍設備編寫一個設備驅(qū)動程序。由于IrDA技術的蓬勃發(fā)展，提供了各種信息家電設備之間的無線連接的最佳選擇，紅外數(shù)據(jù)傳輸，成本低廉、連接方便、簡單易用、結構緊湊，在小型嵌入式移動設備中也得到了廣泛的應用。配備有紅外技術移動電話、個人數(shù)字助理、筆記本電腦都已登陸市場，因此，嵌入式設備的IrDA模塊的開發(fā)有著廣闊的市場前景。
本文將詳細講解基于Inte1的PXA255處理器的Sitsang開發(fā)平臺紅外模塊的設計，其中包括Linux下的IrDA驅(qū)動程序的開發(fā)和基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的軟硬件設計兩個部分。

1 Linux下IrDA模塊的設計
1.1 Linux下的設備驅(qū)動程序簡介
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應用程序之間的接口，驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接El，也是應用層和實際硬件設備之間的軟件。一個驅(qū)動程序就是一個函數(shù)和數(shù)據(jù)結構的集合，它的目的就是實現(xiàn)一個簡單的管理設備的接口。內(nèi)核用這個接口請求驅(qū)動程序控制設備的I／O操作。設備驅(qū)動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。Linux操作系統(tǒng)支持三種不同類型的設備，即字符設備、塊設備和網(wǎng)絡接口，相應地有三種類型的設備驅(qū)動程序。本文主要討論字符型設備的驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，主要完成以下的功能：
①對設備初始化和釋放；
②把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)；
③讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)；
④檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。
由于應用程序是通過設備文件同硬件打交道，對設備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如open、read、write、close等等。Linux操作系統(tǒng)是通過一組固定的接口把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關聯(lián)起來的。這組入口點是由每個設備的設備驅(qū)動程序組成了一個數(shù)據(jù)結構來向系統(tǒng)提供的，它提供了字符型設備驅(qū)動程序所需的操作。這是一個非常關鍵的數(shù)據(jù)結構：
struet file_operations{
struct modul*owner；
loft t(*llseek)(struet file*10flf_t，int)；
ssize t(*read)(struct file*，char*,size_t，10ff_t)；
ssize tf*write)(struct file*，const char*size_t，10ff_t*)；
int f*readdir)(struct file*，void*，filldir_t)；
unsigned int(*poll)(struct file*，struct poll_table_struct*)；
int(*ioctl)(struct inode*．struct file*，unsigned int，unsigned long)；
int(*mmap)(struet file*,struct vm_area_struct*)
int(*open)(struct inode*，stmct file*)；
int(*flush)(struct nle*);
int(*release)(struct inode*，stmct file*);
這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統(tǒng)調(diào)月。應用程序利用系統(tǒng)調(diào)用在對設備文件進行諸如read／write操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結構相應的函數(shù)指針，接著把控制權交給該函數(shù)。這是Linux的設備驅(qū)動程序工作的基本原理。既然是這樣，編寫設備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充me_operations的各個域。多數(shù)情況下，只需為上面結構中的少數(shù)方法編寫服務函數(shù)，其它均設為NULL。
已經(jīng)提到，應用程序是通過設備文件來與實際的硬件打交道的。每個設備文件都有其文件屬性(c／b)，表示是字符設備還是塊設備。另外每個文件都有兩個設備號:第一個是主設備號，標識驅(qū)動程序；第二個是從設備號，標識使用同一個設備驅(qū)動程序的不同的硬件設備，比如有兩個軟盤，就可以用從設備號來區(qū)分它們。設備文件的主設備號必須與設備驅(qū)動程序在登記時申請的主設備號一致，否則用戶進程將無法訪問到驅(qū)動程序。
1.2 IrDA模塊驅(qū)動程序
IrDA是一種廉價、近距離、無線、低功耗、保密性強的通信技術，適合于低成本、跨平臺、點對點高速數(shù)據(jù)連接，尤其是嵌入式系統(tǒng)；主要應用于無線數(shù)據(jù)傳輸，有時也用于無線網(wǎng)絡接入和近程遙控。IrDA制定了很多紅外通信協(xié)議，其中IrDA1.0協(xié)議基于異步收發(fā)器uART，最高通信速率在115 2kbps，簡稱sIR(Seria Infrared，串行紅外協(xié)議)，采用3／1 6 ENDEC編／解碼機制。我們所要實現(xiàn)的就是基于sIR的IrDA驅(qū)動。它的發(fā)射強度與接收靈敏度因不同器件、不同應用設計而強弱不一，使用時只能以半雙工方式進行紅外通信。
我們的設計思想是Sitsang板只作為接收端，而基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器作為發(fā)送端。其中file_operations結構中的ioctl()函數(shù)可以進行發(fā)送或接收的狀態(tài)切換。原Sitsang板載Linux系統(tǒng)所帶的IrDA驅(qū)動程序是作為網(wǎng)絡部分編寫的，使用過于復雜，且在處理數(shù)據(jù)收發(fā)時需要做一些自己的處理和驗證規(guī)則，所以我們使用標準串口在Linux下自己編寫了一個IrDA的設備驅(qū)動程序。這樣在使用時，可以根據(jù)自己的需要作相應的更改，比較靈活。
在IrDA驅(qū)動程序中主要實現(xiàn)了s_r_read()、s_r_write()、siLopen()、sir_close()、siLioctl()及sir_handle_irq()中斷處理程序六個函數(shù)。相應的接口結構如下所示：
static struct file_operations siLfops={
ioctl： sir ioctl，
read： siread，
write： sir_write，
open： slr_open，
release：sir close

1.2.1 sir_handle_irq函數(shù)
用戶空間進程通過接口函數(shù)進入到內(nèi)核，內(nèi)核再調(diào)用驅(qū)動程序相應的I／O函數(shù)。IrDA驅(qū)動程序是字符類型的驅(qū)動程序，我們用中斷的方式實現(xiàn)內(nèi)核與設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。當驅(qū)動程序在啟動后設備就掛起自己，直到串口完成操作并發(fā)出一個中斷請求(IRQ)。當IRQ產(chǎn)生時，注冊的中斷處理程序sir_handlejrq得以運行。在Sir_handle_irq中，程序通過相應的寄存器操作得到接收的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入到一個內(nèi)部緩沖中。
1.2.2 sir open和sir_cIose函數(shù)
sir_open函數(shù)的主要功能就是遞增使用計數(shù)和設備初始化操作。這里把設置并初始化sitsang板上的紅外設備放在了sir_open函數(shù)中，這樣在每次打開IrDA設備時，紅外設備都會被正確地設置，確保了紅外硬件的正常工作。另外，把申請設備中斷號的工作也放到了Sir_open函數(shù)中，這樣IrDA設備所占用的中斷號，在沒有使用IrDA設備時也可以被其它設備共享。
static int sir sopen(struct inode*inode，struet *filp){
計數(shù)器加1；
申請設備中斷號；
設置Sitsang板上的紅外設備并初始化；
}
sir_close()函數(shù)所作的工作與sir_open()的正好相反，計數(shù)器減1，注銷設備中斷號。
1.2.3 sir_ioctl函數(shù)
由于所使用的紅外收發(fā)器HSDL-3200只能以半雙工方式進行紅外通信，所以就需要命令進行接收和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。ioctl函數(shù)的主要功能就是對硬件設備進行控制，因此在sir―ioctl函數(shù)中實現(xiàn)了這一功能。
static int siLioctl(stmctiTlode*inode，structfile*mp，unsigned_int cmd，unsignedlogarg){
swltell(cmd){
case接收：
設置接收寄存器；
break：
case發(fā)送：
設置發(fā)送寄存器；
break；
default：
}
}
1.2.4 sir_read和sir_write函數(shù)
這兩個函數(shù)主要完成讀取應用程序傳送給內(nèi)核設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)的通信過程。這也是在整個驅(qū)動程序中最重要的部分。
當用戶調(diào)用read()函數(shù)時，內(nèi)核相應地調(diào)用sir_read()函數(shù)。在Sir_read()中，通過判斷硬件寄存器是否有新數(shù)據(jù)到來而決定是否從設備讀取數(shù)據(jù)，然后使用內(nèi)核提供的copy touser(void*to，const void*from，unsigned long count)函數(shù)將數(shù)據(jù)返回應用程序。write()函數(shù)的實現(xiàn)與read()函數(shù)的實現(xiàn)過程正好相反。在sir_write()中，通過調(diào)用copy_from user_form_user(void*to,const void*from，unsigned long count，)函數(shù)來完成把數(shù)據(jù)從用戶的應用程序傳送給硬件設備。
1.2.5實現(xiàn)模式
設備驅(qū)動程序的主體完成了，現(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。實現(xiàn)Llnux下IrDA設備驅(qū)動功能主要有兩種形式：一是通過內(nèi)核來進行加載，需要用戶在．／etc／rc.d／目錄中定義的初始啟動腳本中寫入命令，當內(nèi)核啟動的時候，就開始加載IrDA設備驅(qū)動程序，內(nèi)核啟動完成之后，IrDA驅(qū)動功能也隨即實現(xiàn)了，但是增大了內(nèi)核；第二是通過模塊加載的形式。比較兩者，第二種形式更加靈活，在此著重對模塊加載形式進行討論。模塊設計是Llnux中特有的技術，它使Linux內(nèi)核功能更容易擴展。采用模塊來設計Linux設備驅(qū)動程序會很輕松，并且能夠形成固定的模式。任何人只要依照這個模式去設計，都能設計出優(yōu)良的設備驅(qū)動程序。
先簡要概述一下基于模塊加載的設備驅(qū)動程序的設計步驟。首先每一個可裝配的設備驅(qū)動程序都必須有init_module和cleanup module兩個函數(shù)，裝載和卸載設備時內(nèi)核自動調(diào)用這兩個函數(shù)。前者在insmod的時候執(zhí)行，后者在rmmod的時候執(zhí)行。通過模塊加載命令insmod來把IrDA設備驅(qū)動程序插入到內(nèi)核之中。在init_module中，除可以對硬件設備進行檢查和初始化外，還必須調(diào)用reglster_*’函數(shù)將設備登記到系統(tǒng)中。本例中是通過register_chrdev來登記的，如果是塊設備或網(wǎng)絡設備則應該用reglstei_blkdev和register_netdev來登記。registeT_chrdev的主要功能是將設備名和結構flle operatioons登記到系統(tǒng)的設備控制塊中。最后可以通過執(zhí)行模塊卸載命令rmmod，調(diào)用IrDA驅(qū)動程序中的cleanup_module()函數(shù)，來對IrDA驅(qū)動程序模塊卸載，具體實現(xiàn)過程如圖l所示。

2 基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的設計
2.1 紅外發(fā)射器的硬件設計
為了可以檢測Sitsang板端的IrDA設備能否正常工作，設計了一個IrDA發(fā)射器。發(fā)射器的體積為l3cm10cm，安裝靈活方便。在發(fā)射器上有一個撥位開關，可以用來設置發(fā)射不同的碼值。紅外收發(fā)器選用具有半雙工功能的HSDL-3200。
單片機的可靠性和片上資源是選擇的關鍵。如一片單片機的資源不足，還要另加其它芯片，就會給系統(tǒng)的可靠性、外型體積、造價帶來很多負面的影響。MC68HC908AP64單片機對程序安全運行有較全面的保護。與其它的MCU相比，最重要的是它內(nèi)部集成有UART單元及其接口，支持IrDA標準，有紅外接口可以直接與紅外收發(fā)體系連接?？梢灾苯域?qū)動HSDL_3200，片上的其它資源包含了發(fā)射器的全部需要，并且廉價低功耗。所以選用其作為發(fā)射器的主控芯片電路如圖2所示。

2.2 紅外發(fā)射器的軟件實現(xiàn)流程
發(fā)射器的軟件編程對產(chǎn)品的可靠性有很大影響。由于IrDA是異步半雙工的通信方式，在某一個時刻，IrDA收發(fā)器只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)。鑒于這種情況，設置IrDA收發(fā)器始終處于發(fā)射狀態(tài)，而SitSang板上的IrDA收發(fā)器始終處于接收狀態(tài)，這樣就不用切換收發(fā)狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。發(fā)射器和接收器之間的通信需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調(diào)總通信。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式。通信波特率為9600bps，通信數(shù)據(jù)是成幀發(fā)送的，每幀數(shù)據(jù)都可以設置自己的引導碼和數(shù)據(jù)。其中引導碼是用于同步每一幀數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)是IrDA發(fā)射器撥位開關的值，可以自己隨意設定。當紅外發(fā)射器和Sitsang板調(diào)通以后，也可以通過sir_ioctl函數(shù)來切換收發(fā)狀態(tài)，達到雙方通信的目的。發(fā)射器的軟件流程如圖3所示。

結語
本文分析了設備驅(qū)動程序在內(nèi)核中的實現(xiàn)方法，并講解了基于Intel的PXA255處理器的Sitsang平臺開發(fā)的驅(qū)動程序設計和實現(xiàn)過程。其中結合Linux下一個現(xiàn)在使用廣泛的IrDA驅(qū)動程序，詳細闡述了紅外模塊驅(qū)動程序的設計和開發(fā)過程，最后從硬件和軟件兩個方面講述了基于MC68HC908AP64紅外發(fā)射器的設計和實現(xiàn)。雖然嵌入式Linux操作系統(tǒng)和傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)相比還不夠成熟完善，但是Linux本身所具有的優(yōu)越性使其在移動設備的OS領域具有廣闊的應用前景。