基于TinyOS的CC2420驅(qū)動(dòng)組件的研究

劉帥，周悅

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，沈陽(yáng)110168）

劉帥（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；周悅（教授），主要研究領(lǐng)域?yàn)榉植际娇刂葡到y(tǒng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和建筑智能化。

引 言

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有兩種常用體系結(jié)構(gòu)：Atmel AVR處理器＋ TinyOS［1］和 MSP430 ＋ TinyOS［2］。 本 文 采 用ATmega128L＋TinyOS的體系結(jié)構(gòu)。因此，CC2420驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)應(yīng)符合TinyOS的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)（Hardware Abstraction Architecture，HAA）［3］。TinyOS中將硬件抽象體系結(jié)構(gòu)分為3層：硬件表示層（Hardware Presentation Layer，HPL）、硬件適配層（Hardware Adapation Layer，HAL）和 硬 件 接 口 層 （Hardware Ⅰnterface Layer，HⅠL）。各層功能作用及具體設(shè)計(jì)原理在本文中作了細(xì)致的研究。CC2420是一款基于ⅠEEE 802.15.4協(xié)議的低功耗無(wú)線收發(fā)模塊。本文根據(jù)硬件抽象體系結(jié)構(gòu)的原則，對(duì)CC2420無(wú)線收發(fā)模塊在TinyOS平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)作了深入的研究，這使得基于CC2420硬件的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）應(yīng)用程序的開發(fā)，可以與TinyOS操作系統(tǒng)的組件模型、主動(dòng)消息、基于事件驅(qū)動(dòng)等機(jī)制有效地結(jié)合起來(lái)，使應(yīng)用程序具有代碼量小、能耗少、并發(fā)性高等特點(diǎn)。

1 nesC語(yǔ)言及TinyOS操作系統(tǒng)

早期的面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)TinyOS是用匯編和C語(yǔ)言開發(fā)的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，C語(yǔ)言并不能高效地完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)。所以研究人員對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行了一定的擴(kuò)展，提出了一種新型的編程語(yǔ)言——支持組件化編程的nesC（C language for network embedded systems）語(yǔ)言［4］。用nesC語(yǔ)言編寫的 TinyOS［5－6］，將輕量級(jí)線程、主動(dòng)消息通信模型、事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和組件化編程等技術(shù)相結(jié)合，是一種專門為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的微型操作系統(tǒng)，使面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序開發(fā)的復(fù)雜度大大降低，使程序的整體性能得到優(yōu)化，提高了程序的健壯性和安全性。

TinyOS采用組件模型，這種模塊化的思想使得應(yīng)用程序的編寫更加方便、高效。程序開發(fā)人員可以方便快捷地將獨(dú)立的組件組合到各種配件文件中，并在應(yīng)用程序的頂層（top－level）配件文件中完成程序的整體裝配。TinyOS的組件模型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

上層組件對(duì)下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)通知事件，最底層的組件直接和硬件打交道。TinyOS中有3種類型的組件：硬件抽象組件、合成組件、高層軟件組件。硬件抽象組件將物理硬件映射到TinyOS組件模型；合成組件模擬高級(jí)硬件行為；高層軟件組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對(duì)的是實(shí)際硬件上的抽象層。

圖1 TinyOS組件模型體系結(jié)構(gòu)

2 節(jié)點(diǎn)硬件模塊

節(jié)點(diǎn)采用ATmega128L微處理器和CC2420無(wú)線收發(fā)模塊，硬件連接如圖2所示。

圖2 ATmega128L與CC2420的硬件連接

CC2420［7］無(wú)線收發(fā)芯片符合ⅠEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在ⅠSM 2.4GHz頻段。其內(nèi)部集成了壓控振蕩器、天線、16MHz晶振等外圍電路。CC2420通過(guò)SPⅠ接口與ATmega128L完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務(wù)。如圖2所示，SPⅠ接口由CSn、SⅠ、SO和SCLK四個(gè)引腳構(gòu)成。ATmega128L為接口主設(shè)備，訪問(wèn)CC2420內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)區(qū)；CC2420為SPⅠ接口從設(shè)備，接收時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。

CC2420通過(guò)SFD、FⅠFO、FⅠFOP和 CCA四個(gè)引腳與ATmega128L表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識(shí)別，在地址識(shí)別后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FⅠFO和FⅠFOP引腳標(biāo)識(shí)FⅠFO緩存區(qū)的狀態(tài)。如果接收FⅠFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)ⅠFO引腳輸出高電平；如果接收FⅠFO緩沖區(qū)為空，F(xiàn)ⅠFO引腳輸出低電平。FⅠFOP引腳在接收FⅠFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)或者在CC2420接收到一個(gè)完整的幀以后輸出高電平，觸發(fā)ATmega 128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評(píng)估有效，通常為CSMA－CA算法的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。

3 CC2420驅(qū)動(dòng)組件

TinyOS中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)分為3層：硬件表示層、硬件適配層和硬件接口層。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求，完成了其中兩層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

3.1 HPL組件

如前面所述，ATmega128L通過(guò)SPⅠ接口訪問(wèn)CC2420內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)區(qū)，CC2420使用SFD、FⅠFO、FⅠFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。硬件表示層的作用就是根據(jù)這種硬件連接將CC2420所提供的硬件基本功能以接口函數(shù)的形式封裝起來(lái)，供上層HAL組件調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件的隔離。

HPL體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。HPL組件包括3個(gè)模塊文件 HPLCC2420FⅠFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420－Ⅰnterrupt，分別實(shí)現(xiàn)CC2420的不同功能接口，最后由HPLCC2420C以組件的形式將所有的接口函數(shù)封裝起來(lái)，提供給HAL組件調(diào)用。

圖3 HPL體系結(jié)構(gòu)

HPLCC2420FⅠFOM 模 塊 文 件 實(shí) 現(xiàn) 了 HPLCC2420FⅠFO接口，完成了對(duì)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)的讀寫控制工作，主要接口函數(shù)如下：

HPLCC2420M模塊文件實(shí)現(xiàn)了3個(gè)接口：

①StdControl接口，完成ATmega128L中與CC2420相連的硬件引腳端口電平設(shè)置及硬件SPⅠ接口相關(guān)寄存器的初始化工作。

②HPLCC2420接口，實(shí)現(xiàn)CC2420內(nèi)部寄存器的讀寫功能。CC2420有33個(gè)控制／狀態(tài)寄存器、15個(gè)命令選通寄存器和2個(gè)訪問(wèn)FⅠFO緩存區(qū)的寄存器。

③HPLCC2420RAM接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420內(nèi)部RAM的讀寫功能。CC2420的內(nèi)部RAM分為3塊——128字節(jié)的發(fā)送FⅠFO緩存區(qū)、128字節(jié)的接收FⅠFO緩存區(qū)以及112字節(jié)的用于保存設(shè)備地址、密鑰等信息的存儲(chǔ)區(qū)。

主要接口函數(shù)如下：

HPLCC2420ⅠnterruptM 模 塊 文 件 實(shí) 現(xiàn) 了HPLCC2420Ⅰnterrupt、HPLCC2420Capture接口，主要完成中斷捕捉功能。CC2420使用 SFD、FⅠFO、FⅠFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)引腳電平變化時(shí)，觸發(fā)ATmega128L硬件中斷。TinyOS平臺(tái)下，根據(jù)事件驅(qū)動(dòng) 機(jī) 制，向 上 調(diào) 用 HPLCC2420Ⅰnterrupt（類 似HPLCC24240Capture）接口中的事件通告函數(shù)result＿t fired（void）進(jìn)行上層處理。HPLCC2420Ⅰnterrupt接口中使用result＿t startWait（bool low＿to high）函數(shù)設(shè)置觸發(fā)方式（上升沿還是下降沿），使用result＿t disable（void）函數(shù)禁止中斷使能。HPLCC2420ⅠnterruptM模塊文件還調(diào)用了HPLTimer1M.nc和TimerC.nc文件中的Timer接口函數(shù)，完成相關(guān)的底層中斷處理。

3.2 HAL組件

HAL組件使用HPL組件HPLCC2420C提供的源接口，在CC2420所提供的基本功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象，形成CC2420初始化、設(shè)備地址設(shè)置、收發(fā)模式設(shè)置、發(fā)送接收消息等復(fù)雜功能，同時(shí)以組件接口的形式進(jìn)行封裝供上層HⅠL組件調(diào)用。HAL體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。HAL組件包括兩個(gè)模塊文件CC2420RadioM.nc和CC2420Control.nc，最后由配置文件CC2420RadioC.nc裝配起來(lái)。

CC2420ControlM模塊文件使用SplitControl接口完成CC2420的寄存器初始化、啟動(dòng)等工作，主要函數(shù)如下：

結(jié) 語(yǔ)

首先以TinyOS操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件模塊功能及其接口電路的特點(diǎn)，在硬件抽象體系結(jié)構(gòu)的原則下，對(duì)CC2420無(wú)線收發(fā)模塊在TinyOS平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)作了深入的研究。實(shí)驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)在滿足指標(biāo)要求的同時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

圖4 HAL體系結(jié)構(gòu)

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