基于TinyOS的CC2420驱动组件的研究

leixiaofeng

摘要：首先介绍了nesC语言及专门面向传感器网络的TinyOS操作系统软件平台，然后阐述了网络节点的硬件模块功能特点及其接口电路，最后根据硬件抽象体系结构的原则，在TinyOS操作系统平台下，对CC2420无线收发模块驱动组件设计作了深入的研究，以组件的形式将其硬件功能封装成接口供上层软件调用，实现了对上层软件的硬件特征屏蔽，从而实现该模块功能的软件语言表达和兼容性较强的跨平台抽象体系结构。 引言 网络节点是构成无线传感器网络的基本单位，无线传感器网络节点有两种常用体系结构：Atmel AVR处理器+TinyOS[1]和MSP430+TinyOS[2]。本文采用ATmega128L+TinyOS的体系结构。因此，CC2420驱动组件设计应符合TinyOS的硬件抽象体系结构(Hardware AbSTractiON Architecture，HAA)[3]。TinyOS中将硬件抽象体系结构分为3层：硬件表示层(Hardware Presentation Layer，HPL)、硬件适配层(Hardware Adapation Layer，HAL)和硬件接口层(Hardware Interface Layer，HIL)。各层功能作用及具体设计原理在本文中作了细致的研究。CC2420是一款基于IEEE802.15.4协议的低功耗无线收发模块。本文根据硬件抽象体系结构的原则，对CC2420无线收发模块在TinyOS平台下的驱动组件设计作了深入的研究，这使得基于CC2420硬件的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)应用程序的开发，可以与TinyOS操作系统的组件模型、主动消息、基于事件驱动等机制有效地结合起来，使应用程序具有代码量小、能耗少、并发性高等特点。 　　1 nesC语言及TinyOS操作系统早期的面向传感器网络的操作系统TinyOS是用汇编和C语言开发的。但经研究发现，C语言并不能高效地完成传感器网络的应用开发。所以研究人员对C语言进行了一定的扩展，提出了一种新型的编程语言——支持组件化编程的nesC(C language for network embedded Systems)语言[4]。用nesC语言编写的TinyOS[56]，将轻量级线程、主动消息通信模型、事件驱动机制和组件化编程等技术相结合，是一种专门为无线传感器网络开发的微型操作系统，使面向传感器网络的操作系统及应用程序开发的复杂度大大降低，使程序的整体性能得到优化，提高了程序的健壮性和安全性。      图1 TinyOS组件模型体系结构 TinyOS采用组件模型，这种模块化的思想使得应用程序的编写更加方便、高效。程序开发人员可以方便快捷地将独立的组件组合到各种配件文件中，并在应用程序的顶层(toplevel)配件文件中完成程序的整体装配。TinyOS的组件模型体系结构如图1所示。 上层组件对下层组件发命令，下层组件向上层组件发信号通知事件，最底层的组件直接和硬件打交道。TinyOS中有3种类型的组件：硬件抽象组件、合成组件、高层软件组件。硬件抽象组件将物理硬件映射到TinyOS组件模型；合成组件模拟高级硬件行为；高层软件组件负责数据传输、控制、路由等。本文针对的是实际硬件上的抽象层。 2 节点硬件模块 节点采用ATmega128L微处理器和CC2420无线收发模块，硬件连接如图2所示。      图2 ATmega128L与CC2420的硬件连接 CC2420[7]无线收发芯片符合IEEE802.15.4标准，工作在ISM 2.4GHz频段。其内部集成了压控振荡器、天线、16MHz晶振等外围电路。CC2420通过SPI接口与ATmega128L完成设置和收发数据两方面的任务。如图2所示，SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK四个引脚构成。ATmega128L为接口主设备，访问CC2420内部寄存器和存储区；CC2420为SPI接口从设备，接收时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。 CC2420通过SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚与ATmega128L表示收发数据状态。CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启用了地址识别，在地址识别后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚标识FIFO缓存区的状态。如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO缓冲区为空，FIFO引脚输出低电平。FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平，触发ATmega128L的中断。CCA引脚有效表示信道空闲评估有效，通常为CSMACA算法的实现提供依据。 3 CC2420驱动组件 TinyOS中的硬件抽象体系结构分为3层：硬件表示层、硬件适配层和硬件接口层。本设计根据实际需求，完成了其中两层结构的实现。 3.1 HPL组件 如前面所述，ATmega128L通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储区，CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态。硬件表示层的作用就是根据这种硬件连接将CC2420所提供的硬件基本功能以接口函数的形式封装起来，供上层HAL组件调用，实现对底层硬件的隔离。 HPL体系结构如图3所示。HPL组件包括3个模块文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Interrupt，分别实现CC2420的不同功能接口，最后由HPLCC2420C以组件的形式将所有的接口函数封装起来，提供给HAL组件调用。      图3 HPL体系结构 HPLCC2420FIFOM模块文件实现了HPLCC2420FIFO接口，完成了对发送、接收数据缓存区的读写控制工作，主要接口函数如下： //将一串数据写入发送缓存区TXFIFO，完成后告知TXFIF ODone()函数      async command result_t HPLCC2420FIFO.writeTXFIFO(uint8_t len，uint8_t *msg)；      //读取接收缓存区RXFIFO中的数据，完成后告知RXFIF ODone()函数      async command result_t HPLCC2420FIFO.readRXFIFO(uint8_t len，uint8_t *msg)； HPLCC2420M模块文件实现了3个接口： ①StdControl接口，完成ATmega128L中与CC2420相连的硬件引脚端口电平设置及硬件SPI接口相关寄存器的初始化工作。      ②HPLCC2420接口，实现CC2420内部寄存器的读写功能。CC2420有33个控制/状态寄存器、15个命令选通寄存器和2个访问FIFO缓存区的寄存器。      ③HPLCC2420RAM接口，实现对CC2420内部RAM的读写功能。CC2420的内部RAM分为3块--128字节的发送FIFO缓存区、128字节的接收FIFO缓存区以及112字节的用于保存设备地址、密钥等信息的存储区。 主要接口函数如下： //写CC2420的命令选通寄存器      async command uint8_t HPLCC2420.cmd(uint8_t addr)      //写寄存器      async command result_t HPLCC2420.write(uint8_t addr， uint16_t data)      //CC2420内部RAM读写接口函数      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)；      //读写完成向上调用的事件通知      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模块文件实现了HPLCC2420Interrupt、HPLCC2420Capture接口，主要完成中断捕捉功能。CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态，当引脚电平变化时，触发ATmega128L硬件中断。TinyOS平台下，根据事件驱动机制，向上调用HPLCC2420Interrupt(类似HPLCC24240Capture)接口中的事件通告函数 result_t fired (void)进行上层处理。HPLCC2420Interrupt接口中使用result_t startWait(bool low_to high)函数设置触发方式(上升沿还是下降沿)，使用result_t disable(void)函数禁止中断使能。HPLCC2420InterruptM模块文件还调用了HPLTimer1M.nc和TimerC.nc文件中的Timer接口函数，完成相关的底层中断处理。 3.2 HAL组件 HAL组件使用HPL组件HPLCC2420C提供的源接口，在CC2420所提供的基本功能的基础上进一步抽象，形成CC2420初始化、设备地址设置、收发模式设置、发送接收消息等复杂功能，同时以组件接口的形式进行封装供上层HIL组件调用。HAL体系结构如图4所示。HAL组件包括两个模块文件CC2420RadioM.nc和CC2420Control.nc，最后由配置文件CC2420RadioC.nc装配起来。 CC2420ControlM模块文件使用SplitControl接口完成CC2420的寄存器初始化、启动等工作，主要函数如下： command result_t SplitControl.init()；//CC2420寄存器初始化      command result_t SplitControl.start()；//开启1.8V稳压源供电，将复位RSTN引脚置为高电平，启动CC2420晶振      CC2420ControlM模块文件还实现了CC2420Control接口，实现对CC2420的一些控制功能：      command result_t CC2420Control.TunePreset(uint8_t chnl)；//通信频道设置      async command result_t CC2420Control.TxMode()；//设为发送模式      async command result_t CC2420Control.RxMode()；//设为接收模式      async command result_t CC2420Control.OscillatorOn()；//开启晶振      async command result_t CC2420Control.enableAutoAck()；//自动应答帧功能使能      async command result_t CC2420Control.enableAddrDecode()；//地址识别功能使能      command result_t CC2420Control.setShortAddress(uint16_t addr)；//设置设备地址      CC2420RadioM使用BareSendMsg接口发送消息，使用ReceiveMsg接口接收消息：      command result_t BareSendMsg.Send(TOS_MsgPtr msg)；//发送消息      event result_t BareSendMsg.sendDone(TOS_MsgPtr msg，result_t success)；//发送完成      event TOS_MsgPtr ReceiveMsg.receive(TOS_MsgPtr m)；//接收消息事件通告      图4 HAL体系结构 结语 首先以TinyOS操作系统为软件平台，根据网络节点的硬件模块功能及其接口电路的特点，在硬件抽象体系结构的原则下，对CC2420无线收发模块在TinyOS平台下的驱动组件设计作了深入的研究。实验表明，节点在满足指标要求的同时运行稳定可靠。