TinyOS的CC2420驱动组件的分析

1、【Word版本下载可任意编辑】 TinyOS的CC2420驱动组件的分析 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构造：Atmel AVR处理器+TinyOS和MSP430+TinyOS.本文采用 ATmega128L+TinyOS的体系构造。因此，CC2420驱动组件设计应符合TinyOS的硬件抽象体系构造（Hardware Abstraction Architecture,HAA）.TinyOS中将硬件抽象体系构造分为3层：硬件表示层（Hardware Presentation Layer,HPL）、硬件适配层（Hardware Adapation L

2、ayer,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构造的原则，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TinyO

3、S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语言开展了一定的扩展，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.用nesC语言编写的TinyOS,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

4、型体系构造 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的组件模型体系构造如图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，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ATmega

5、128L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内部存放器和存储区；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S

6、FD、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

7、 CC2420驱动组件 TinyOS中的硬件抽象体系构造分为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，完成了其中两层构造的实现。 3.1 HPL组件 如前面所述，ATmega128L通过SPI接口访问CC2420内部存放器和存储区，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体系构造如图3所示。HPL组件包括3个模块文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Int

8、errupt,分别实现CC2420的不同功能接口，由HPLCC2420C以组件的形式将所有的接口函数封装起来，提供应HAL组件调用。 图3 HPL体系构造 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TXFIFODone（）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RXFIFODone（）

9、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： 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接口相关存放器的初始化工作。 HPLCC2420接口，实现CC2420内部存放器的读写功能。CC2420有33个控制/状态存放器、15个命令选通存放器和2个访问FIFO缓存区的存放器。 HPLCC2420RAM接口，实现对CC2420内部RAM的读写功能。CC2420的内部RAM分为3块-12

10、8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的命令选通存放器 async command uint8_t HPLCC2420.cmd（uint8_t addr） /写存放器 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,

11、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）； HPLCC2420Interrupt

12、M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）开展上层处理。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）

13、，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根底上进一步抽象，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开展封装供上层HIL组件调用。HAL体系构造如图4所示。HAL组件包括两个模块文件CC2420RadioM.nc和CC2420Control.nc,由配置

14、文件CC2420RadioC.nc装配起来。 CC2420ControlM模块文件使用SplitControl接口完成CC2420的存放器初始化、启动等工作，主要函数如下： command result_t SplitControl.init（）；/CC2420存放器初始化 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 CC2420Contr

15、ol.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 BareS