劉帥，周悅

（沈陽建筑大學 信息與控制工程學院，沈陽110168）

劉帥（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；周悅（教授），主要研究領(lǐng)域為分布式控制系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和建筑智能化。

引 言

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是構(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)計原理在本文中作了細致的研究。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。

1 nesC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語言進行了一定的擴展，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［5－6］，將輕量級線程、主動消息通信模型、事件驅(qū)動機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。

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立的組件組合到各種配件文件中，并在應(yīng)用程序的頂層（top－level）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；高層軟件組件負責數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對的是實際硬件上的抽象層。

圖1 TinyOS組件模型體系結(jié)構(gòu)

2 節(jié)點硬件模塊

節(jié)點采用ATmega128L微處理器和CC2420無線收發(fā)模塊，硬件連接如圖2所示。

圖2 ATmega128L與CC2420的硬件連接

CC2420［7］無線收發(fā)芯片符合ⅠEEE 802.15.4標準，工作在ⅠSM 2.4GHz頻段。其內(nèi)部集成了壓控振蕩器、天線、16MHz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)超過某個臨界值時或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平，觸發(fā)ATmega 128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評估有效，通常為CSMA－CA算法的實現(xiàn)提供依據(jù)。

3 CC2420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)計根據(jù)實際需求，完成了其中兩層結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。

3.1 HPL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個模塊文件 HPLCC2420FⅠFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420－Ⅰnterrupt，分別實現(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3 HPL體系結(jié)構(gòu)

HPLCC2420FⅠFOM 模 塊 文 件 實 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：

HPLCC2420M模塊文件實現(xiàn)了3個接口：

①StdControl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。

②HPLCC2420接口，實現(xiàn)CC2420內(nèi)部寄存器的讀寫功能。CC2420有33個控制／狀態(tài)寄存器、15個命令選通寄存器和2個訪問FⅠFO緩存區(qū)的寄存器。

③HPLCC2420RAM接口，實現(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：

HPLCC2420ⅠnterruptM 模 塊 文 件 實 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四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，當引腳電平變化時，觸發(fā)ATmega128L硬件中斷。TinyOS平臺下，根據(jù)事件驅(qū)動 機 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。

3.2 HAL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，同時以組件接口的形式進行封裝供上層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：

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)點的硬件模塊功能及其接口電路的特點，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)計作了深入的研究。實驗表明，節(jié)點在滿足指標要求的同時運行穩(wěn)定可靠。

圖4 HAL體系結(jié)構(gòu)

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