基于嵌入式系統的ZigBee芯片的研究與應用*

暢 達，耿淑琴，侯立剛，吳武臣

（北京工業大學 集成電路與系統研究室，北京100124）

隨著信息技術的不斷發展，無線傳感網絡逐漸得到認同與應用。無線傳感網絡是由大量傳感器節點通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，它包括基本的傳感單元、處理單元、通信單元和電源部分。符合IEEE 802.15.4標準的ZigBee協議可以很好地支持網絡中的傳輸需要，將其與嵌入式系統相結合，可以形成無線傳感網的基本單元[1]。

ARM嵌入式系統作為當下最為流行的嵌入式系統，其在功耗、體積、可靠性與便攜性方面都有很強的競爭力，而CC2420作為TI推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4的射頻收發器，為無線網絡提供了良好的射頻傳輸保證。在操作系統方面，嵌入式Linux系統憑借其開源性、穩定性等特點，成為眾多嵌入式系統的優先選擇。所以，將ARM-Linux嵌入式系統與CC2420芯片相結合作為網絡中對硬件要求較高的具有完整功能的全功能設備，完全可以開發出基于ZigBee協議的無線傳感網絡，它同時具有低成本、低功耗、低復雜度、高性能、高通用性與移植性等諸多優勢。

1 ZigBee協議的特點分析

ZigBee（紫蜂）是 IEEE 802.15.4協議的兼容版本。IEEE 802.15.4協議是針對低速無線個人局域網設計的符合IEEE規范的官方標準，工作在2.4 GHz頻段，最多支持16個傳輸速率為250 kb/s的信道。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術，支持星形、簇形和網狀三種拓撲結構，具有短距離、低功耗、自組織、低成本、低速率和低復雜度的特點。ZigBee的網絡標準共分為4層，從上到下分別為應用層、網絡層、多媒體訪問控制層（MAC）和物理層。每一層為它的上一層提供數據與管理服務。其中，物理層和MAC層采用了IEEE 802.15.4標準，應用層和網絡層則在此基礎上進行了定制。

ZigBee標準的物理層規定了3個有效頻段，分別是868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。其中，在中國常用的2.4 GHz頻段上采用直接序列擴頻技術進行數據通信，從而提高了設備的抗干擾性。MAC層為傳輸提供可靠的數據通信鏈路與安全機制。在MAC層，不同的幀類型采用相同的結構，可以通過調用自定義的API函數構造不同的幀。網絡層的主要功能是建立于管理網絡，提供路由機制等。在應用層中，每個節點具有16位的網絡地址和64位的IEEE地址，并且還有8位的應用層入口地址對應于應用對象。

相對于 Wi-Fi、藍牙等其他無線通信技術，ZigBee技術憑借其功耗和成本上的優勢，越來越廣泛地用于低速率、小范圍的網絡。

2 系統硬件原理

圖1所示是系統硬件平臺的架構示意圖。S3C2440A是三星公司推出的以ARM920T為核心的32位高性能嵌入式處理器。它憑借高性能、低價格、低功耗等優勢廣泛應用于嵌入式系統中，并且可以穩定運行于Linux和Windows CE等諸多嵌入式操作系統。S3C2440A內置兩組SPI總線，每組SPI擁有兩個8位移位寄存器用于數據發送與接收。任意選取其中一組與CC2420連接即可完成微控制器與CC2420的數據傳輸[2]。

CC2420作為TI推出的首款符合ZigBee協議的射頻芯片，可以與任何符合IEEE 802.15.4協議的設備實現無線互聯。CC2420通過 SPI接口（SCLK、CSn、SO和 SI）配置為從機。SPI上所有的地址和數據都是高位優先發送。片選信號低有效，即當CSn變低時，意味著CC2420的新通信周期開始。

CC2420共有50個寄存器，分別為33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器和2個用來訪問獨立發送和接收FIFO的8位寄存器。每個寄存器都被編址為一個6 bit地址，與第7位的RAM/Register選擇位和第 6 bit的讀寫選擇位一起構成一個8 bit地址。在每個寄存器讀寫周期中，共有24 bit數據被發送到SI上，包括8 bit地址和16 bit數據。在發送數據的同時，SO線上將返回8 bit狀態用于調試。命令選通脈沖可以看作是CC2420的單字節指令，通過編址一個命令選通寄存器可以啟動內部序列。這些命令可以用于使能晶振、使能接收、啟動解碼等。晶振必須被首先啟動并且穩定后才可以接收其他命令。命令選通與寄存器讀寫相似，只是沒有數據傳輸，在CSn有效的前提下，命令選通后可以繼續其他SPI操作。

通過寄存器TXFIFO與RXFIFO可以存取發送FIFO和接收FIFO，且一次操作可以讀取多個FIFO字節。SFLUSHTX命令可以激活TXFIFO，SFLUSHRX可以激活RXFIFO。

CC2420通過 CCA、SDF、FIFO和 FIFOP 4條信號將工作狀態反饋給微控制器。CCA信號用于清除通道，在接收狀態下，如果經過8個符號周期后，信道內仍然沒有數據，則CCA信號激活；否則處于非激活狀態。SDF信號用于提供時序信息。在發送過程中，當幀的起始分隔符被傳送后，SDF信號會被激活；當整個數據包完成傳送后，SDF信號立刻處于非激活狀態。在接收過程中，當檢測到有效的幀起始分隔符后，SDF信號激活；整個數據包接收完成后，該信號處于非激活狀態。FIFO信號用于檢測RXFIFO中是否有數據，當RXFIFO中存在至少一個數據時，FIFO信號處于激活狀態，直到RXFIFO為空。當RXFIFO中存入的數據超過了可寫入的閾值時，FIFOP信號會被激活，另外一種情況是，當一個完整的數據包被接收到后，該信號會被激活，而有一個數據包從FIFO中讀出后，該信號將立刻處于非激活狀態。如果地址識別被允許，FIFOP信號會一直保持在非激活狀態直到被傳入的幀通過了地址識別，否則，即使RXFIFO中的數據超越了閾值，FIFOP信號仍然不會被激活[3]。

3 底層通信機制的驅動設計

在Linux系統中，上層應用程序運行在用戶空間，不能直接訪問硬件，只有通過系統調用將其調用到內核空間，通過設備驅動程序才能把應用程序的需求傳遞給硬件。如圖2所示。CC2420憑借SPI接口與微處理器進行通信，雖然某些2.6內核版本的Linux給出了SPI驅動程序，但是其針對性并不強，所以，為CC2420設計更為合適的SPI驅動更加有益于底層的通信，也更加利于開發和測試工作的進行[4，5]。

SPI驅動的設計主要包含讀寫兩個操作。其中寫操作用于將上層空間的數據發送給內核中的緩沖區，并控制主 SPI將數據發送給CC2420；讀操作將讀取 SPI接收到的內容，并將其發送到上層空間。每當SPI完成一次數據傳輸，都會向系統發起一次中斷，中斷由中斷線進入并且中斷CPU，從而通知內核，以調用相關的中斷處理例程。

驅動程序內部采用環形緩沖區作為數據收發的緩沖結構，如圖3所示。中斷機制采用上半部與下半部的處理方式，上半部只負責響應中斷，而繁瑣的數據處理交由下半部完成，這樣可以大大提高代碼效率。驅動程序的下半部采用tasklet機制，tasklet是一種較為特殊的軟中斷，工作在中斷上下文，并且有嚴格的順序執行保障。另外，設計中采用了自旋鎖機制，從而有效地防止了臨界區的多重訪問問題，提高了驅動程序的安全性。與此同時，休眠機制的成功引入避免了由于緩沖區覆蓋所造成的數據丟失。

對于寫操作，首先將所需發送的數據從上層空間拷貝到內核中的發送數據結構，然后獲取禁止軟中斷但允許硬中斷的自旋鎖，進而調用寫操作函數write將數據串行拷貝至相應的發送環形緩沖區中，最后將數據依次寫入發送寄存器中，釋放自旋鎖，數據由硬件發送出去。圖4所示為寫操作基本流程圖。但是，如果發送環形緩沖區不為空，程序處于發送過程中，并且不需要寫臨界區時，寫進程就會被設計成休眠模式，休眠的進程將在下半部tasklet中被喚醒。在tasklet中，發送環形緩沖區的尾指針會不斷自增，以表示數據正在被不斷發送出去，直到緩沖區為空后，tasklet會喚醒之前睡眠的進程。

對于讀操作，其流程大致與寫操作類似，如圖5所示。一旦SPI接收寄存器收到數據，系統就會產生中斷，從而進入中斷處理例程。tasklet將接收寄存器中的數據串行發送到接收環形緩沖區，緩沖區頭指針自增，并喚醒進程。然后進程獲得自旋鎖，在判斷所需讀取的數據長度不超過緩沖區的最大長度后，將接收環形緩沖區的尾指針數據拷貝至內核的接收數據結構，然后尾指針自增。最后將數據拷貝至上層空間。

圖6所示為測試結果波形圖。從測試結果來看，在8個時鐘周期內可以準確地發送8位二進制數0110_0110。完成底層通信機制SPI的驅動以后，只需要將CC2420注冊設備、完成地址映射，再按照前面所述器件的工作原理發送相關命令與檢測信號，就可以完成此系統的基本應用功能，從而擁有了作為ZigBee網絡中重要節點的通信保證。另外，ARM嵌入式系統具有更強大的功能，在數據處理與網絡接入方面有很好的性能支持，可以作為全功能設備節點的良好選擇。

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2007.

[2]SAMSUNG.S3C2440A user’s manual reltminary[EB/OL].Revision0.14，2004.

[3]TI.CC2420_datasheet[EB/OL].(2004-06-09).Revision1.2，2007.

[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]CORBET J，RUBINI A，GREG K H.Linux device drivers[M].Sebastopol：O’Reilly Media 2005：274-278.