傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺TinyOS下CC2420驅(qū)動組件的設(shè)計(jì)

引言

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，無線傳感器網(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CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS平臺下的驅(qū)動組件設(shè)計(jì)作了深入的研究，這使得基于CC2420硬件的無線傳感器網(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、主動消息、基于事件驅(qū)動等機(jī)制有效地結(jié)合起來，使應(yīng)用程序具有代碼量小、能耗少、并發(fā)性高等特點(diǎn)。

1nesC語言及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(luò)的應(yīng)用開發(fā)。所以研究人員對C語言進(jìn)行了一定的擴(kuò)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 Systems）語言[4].用nesC語言編寫的TinyOS[56],將輕量級線程、主動消息通信模型、事件驅(qū)動機(jī)制和組件化編程等技術(shù)相結(jié)合，是一種專門為無線傳感器網(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。

圖1TinyOS組件模型體系結(jié)構(gòu)

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（toplevel）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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對的是實(shí)際硬件上的抽象層。

2節(jié)點(diǎn)硬件模塊

節(jié)點(diǎn)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。

圖2ATmega128L與CC2420的硬件連接

CC2420[7]無線收發(fā)芯片符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在ISM 2.4 GHz頻段。其內(nèi)部集成了壓控振蕩器、天線、16 MHz晶振等外圍電路。CC2420通過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CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(qū)；CC2420為SPI接口從設(shè)備，接收時(shí)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(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(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標(biāo)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(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)ATmega128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評估有效，通常為CSMACA算法的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。

3CC2420驅(qū)動組件

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)。

3.1HPL組件

如前面所述，ATmega128L通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(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，供上層HAL組件調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對底層硬件的隔離。

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，提供給HAL組件調(diào)用。

圖3HPL體系結(jié)構(gòu)

HPLCC2420FIFOM模塊文件實(shí)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：

//將一串?dāng)?shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存區(qū)TXFIFO, 完成后告知TXFIF?ODone（）函數(shù)
async command result_t HPLCC2420FIFO.writeTXFIFO（uint8_t len,uint8_t *msg）；
//讀取接收緩存區(qū)RXFIFO中的數(shù)據(jù)，完成后告知RXFIF?ODone（）函數(shù)
async command result_t HPLCC2420FIFO.readRXFIFO（uint8_t len,uint8_t *msg）；

HPLCC2420M模塊文件實(shí)現(xiàn)了3個(gè)接口：
① StdControl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。
② HPLCC2420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FIFO緩存區(qū)的寄存器。
③ HPLCC2420RAM接口，實(shí)現(xiàn)對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、密鑰等信息的存儲區(qū)。

主要接口函數(shù)如下：
//寫CC2420的命令選通寄存器
async command uint8_t HPLCC2420.cmd（uint8_t addr）
//寫寄存器
async command result_t HPLCC2420.write（uint8_t addr, uint16_t data）
//CC2420內(nèi)部RAM讀寫接口函數(shù)
async command result_t HPLCC2420RAM.write（uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer）；
async command result_t HPLCC2420RAM.read（uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer）；
//讀寫完成向上調(diào)用的事件通知
async event result_t writeDone（uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer）；
async event result_t readDone（uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer）；

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平臺下，根據(jù)事件驅(qū)動機(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。

3.2HAL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。

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 SplitControl.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(fù)位RSTN引腳置為高電平，啟動CC2420晶振
CC2420ControlM模塊文件還實(shí)現(xiàn)了CC2420Control接口，實(shí)現(xiàn)對CC2420的一些控制功能：
command result_t CC2420Control.TunePreset（uint8_t chnl）；//通信頻道設(shè)置
async command result_t CC2420Control.TxMode（）；//設(shè)為發(fā)送模式
async command result_t CC2420Control.RxMode（）；//設(shè)為接收模式
async command result_t CC2420Control.OscillatorOn（）；//開啟晶振
async command result_t CC2420Control.enableAutoAck（）；//自動應(yīng)答幀功能使能
async command result_t CC2420Control.enableAddrDecode（）；//地址識別功能使能
command result_t CC2420Control.setShortAddress（uint16_t addr）；//設(shè)置設(shè)備地址
CC2420RadioM使用BareSendMsg接口發(fā)送消息，使用ReceiveMsg接口接收消息：
command result_t BareSendMsg.Send（TOS_MsgPtr msg）；//發(fā)送消息
event result_t BareSendMsg.sendDone（TOS_MsgPtr msg,result_t success）；//發(fā)送完成
event TOS_MsgPtr ReceiveMsg.receive（TOS_MsgPtr m）；//接收消息事件通告

圖4HAL體系結(jié)構(gòu)

結(jié)語

首先以TinyOS操作系統(tǒng)為軟件平臺，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CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS 平臺下的驅(qū)動組件設(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。