摘要：首先介紹了nesC語言及專門面向傳感器網(wǎng)絡的TinyOS操作系統(tǒng)軟件平臺，然后闡述了網(wǎng)絡節(jié)點的硬件模塊功能特點及其接口電路，最后根據(jù)硬件抽象體系結構的原則，在TinyOS操作系統(tǒng)平臺下，對CC2420無線收發(fā)模塊驅動組件設計作了深入的研究，以組件的形式將其硬件功能封裝成接口供上層軟件調用，實現(xiàn)了對上層軟件的硬件特征屏蔽，從而實現(xiàn)該模塊功能的軟件語言表達和兼容性較強的跨平臺抽象體系結構。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；TinyOS；CC2420；硬件抽象體系結構
引言
網(wǎng)絡節(jié)點是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有兩種常用體系結構：Atmel AVR處理器+TinyOS和MSP430+TinyOS，本文采用ATmega128L+TinyOS的體系結構。因此，CC2420驅動組件設計應符合TinyOS的硬件抽象體系結構(HardWare Abstraction Architectu re，HAA)。TinyOS中將硬件抽象體系結構分為3層：硬件表示層(Hardware Presentation Layet，HPL)、硬件適配層(Hardware Adapation Layer，HAL)和硬件接口層(HardWare Interfaec Layer，HIL)。各層功能作用及具體設計原理在本文中作了細致的研究。CC2420是一款基于IEEE 802．15．4協(xié)議的低功耗無線收發(fā)模塊。本文根據(jù)硬件抽象體系結構的原則，對CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS平臺下的驅動組件設計作了深入的研究，這使得基于CC2420硬件的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)應用程序的開發(fā)，可以與TinyOS操作系統(tǒng)的組件模型、主動消息、基于事件驅動等機制有效地結合起來，使應用程序具有代碼量小、能耗少、并發(fā)性高等特點。
1 nesC語言及TinyOS操作系統(tǒng)
早期的面向傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)TinyOS是用匯編和C語言開發(fā)的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，C語言并不能高效地完成傳感器網(wǎng)絡的應用開發(fā)。所以研究人員對C語言進行了一定的擴展，提出了一種新型的編程語言——支持組件化編程的nesC(C language for network embedded sys
tems)語言。用nesC語言編寫的TinyOS，將輕量級線程、主動消息通信模型、事件驅動機制和組件化編程等技術相結合，是一種專門為無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的微型操作系統(tǒng)，使面向傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)及應用程序開發(fā)的復雜度大大降低，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立的組件組合到各種配件文件中，并在應用程序的頂層(top-level)配件文件中完成程序的整體裝配。TinyOS的組件模型體系結構如圖1所示。
上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件，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；合成組件模擬高級硬件行為；高層軟件組件負責數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對的是實際硬件上的抽象層。
2 節(jié)點硬件模塊
節(jié)點采用ATmega128L微處理器和CC2420無線收發(fā)模塊，硬件連接如圖2所示。
CC2420無線收發(fā)芯片符合IEEE 802.15.4標準，工作在ISM 2.4GHz頻段。其內部集成了壓控振蕩器、天線、16MHz晶振等外圍電路。CC24 20通過SPI接口與ATmega128L完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務。如圖2所示，SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK四個引腳構成。ATmega128L為接口主設備，訪問CC2420內部寄存器和存儲區(qū)；CC2420為SPI接口從設備，接收時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。
CC2420通過SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳與ATmega128L表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識別，在地址識別后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標識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)超過某個臨界值時或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平，觸發(fā)ATmega128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評估有效，通常為CSMA-CA算法的實現(xiàn)提供依據(jù)。
3 CC2420驅動組件
TinyOS中的硬件抽象體系結構分為3層：硬件表示層、硬件適配層和硬件接口層。本設計根據(jù)實際需求，完成了其中兩層結構的實現(xiàn)。
3．1 HPL組件
如前面所述，ATmega128L通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲區(qū)，CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(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，供上層HAL組件調用，實現(xiàn)對底層硬件的隔離。
HPL體系結構如圖3所示。HPL組件包括3個模塊文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Interrupt，分別實現(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，提供給HAL組件調用。
HPLCC2420FIFOM模塊文件實現(xiàn)了 HPLCC2420FIFO接口，完成了對發(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模塊文件實現(xiàn)了3個接口：
①StdControl接口，完成ATmega128L中與CC2420相連的硬件引腳端口電平設置及硬件SPI接口相關寄存器的初始化工作。
②HPLCC2420接口，實現(xiàn)CC2420內部寄存器的讀寫功能。CC2420有33個控制／狀態(tài)寄存器、15個命令選通寄存器和2個訪問FIFO緩存區(qū)的寄存器。
③HPLCC2420RAM接口，實現(xiàn)對CC2420內部RAM的讀寫功能。CC2420的內部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)的用于保存設備地址、密鑰等信息的存儲區(qū)。
主要接口函數(shù)如下：
HPLCC2420InterruptM模塊文件實現(xiàn)了HPLCC2420Interrupt、HPLCC2420Capture接口，主要完成中斷捕捉功能。CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，當引腳電平變化時，觸發(fā)ATmega128L硬件中斷。TinyOS平臺下，根據(jù)事件驅動機制，向上調用HPLCC 2420Interrupt(類似HPLCC24240Capture)接口中的事件通告函數(shù)result_t fired(void)進行上層處理。HPLCC2420Interrupt接口中使用resul t_t startWait(bool low_to high)函數(shù)設置觸發(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。HPLCC2420 In terruptM模塊文件還調用了HPLTimerlM．nc和TimerC．nc文件中的Timer接口函數(shù)，完成相關的底層中斷處理。
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上進一步抽象，形成CC2420初始化、設備地址設置、收發(fā)模式設置、發(fā)送接收消息等復雜功能，同時以組件接口的形式進行封裝供上層HIL組件調用。HAL體系結構如圖4所示。HAL組件包括兩個模塊文件CC2420RadioM．nc和CC2420Control．nc，最后由配置文件CC2420RadioC．ne裝配起來。
CC2420ControlM模塊文件使用SplitControl接口完成CC2420的寄存器初始化、啟動等工作，主要函數(shù)如下：command result_t Split Control．init()；／／CC2420寄存器初始化command result_t SplitControl．start()；／／開啟1．8 V穩(wěn)壓源供電，將復位RSTN引腳置為高電平，啟動CC2420晶振CC2420ControlM模塊文件還實現(xiàn)了CC2420Control接口，實現(xiàn)對CC2420的一些控制功能：
CC2420RadioM使用BareSendMsg接口發(fā)送消息，使用ReceiveMsg接口接收消息：
結語
首先以TinyOS操作系統(tǒng)為軟件平臺，根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的硬件模塊功能及其接口電路的特點，在硬件抽象體系結構的原則下，對CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS平臺下的驅動組件設計作了深入的研究。實驗表明，節(jié)點在滿足指標要求的同時運行穩(wěn)定可靠。
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