基于TinyOS的CC2420驱动组件的研究

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。

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。[page]

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。[page]

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。

参考文献

[1] Hill J，Szewczyk R，Woo A，et al. System architecture directions for networked sensors[J].ACM SIGPLAN Notices，2000(11)：93104.
     [2] DuboisFerriere H，Meier R，Fabre L，et al.TinyNode:a comprehensive platform for wireless sensornetwork applications[C]//Proceedings of the 6th Information Processing in Sensior Networks，2006.
     [3] Handziski V，Polastre J.Hardware Abstraction Architecture[EB/OL].(20070222)[201107].http://www.tinyos.net/tinyosw.x/doc.
     [4] Gay D，Levis P，Culler D，et al. nesC 1.1 Langueage Reference Manual，2003.
     [5] TinyOS Documentation[EB/OL]. (200310) [201107]. http://www.tinyos.net/tinyos1.x/doc.
     [6] 孙利民，李健中，陈渝，等。无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.
     [7] Chipcon.CC2420 Datasheet[EB/OL].[201107].http://www.chipcon.com.