传感器网络操作系统平台TinyOS下CC2420驱动组件的设计

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IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4标准，工作在ISM 2.4 GHz频段。其内部集成了压控振荡器、天线、16 MHz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、HPLCC2420Interrupt,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。[page]

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：
① StdControl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。
② HPLCC2420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。
③ HPLCC2420RAM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1.8 V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。