(河南城建學(xué)院 計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，平頂山 467036)

引　言

當(dāng)前在實(shí)現(xiàn)ZigBee Pro標(biāo)準(zhǔn)組成的WSN無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)方案中，有TI公司的CC2530+Z-Stack方案，也有ST公司的STM32W108+EmberZnet方案。TI公司的CC2530是基于8051內(nèi)核，其Z-Stack協(xié)議棧被廣泛應(yīng)用在ZigBee通信設(shè)備中，研究其工作原理有著重要意義。

1　Z-Stack協(xié)議棧簡(jiǎn)介

Z-Stack是一款業(yè)界領(lǐng)先的商業(yè)級(jí)協(xié)議棧，它把底層(尤其是MAC層)做成lib庫(kù)文件封裝起來(lái)(不開(kāi)源)，供其它層調(diào)用[1]。其中，HAL硬件抽象層、MAC層位于最底層，與硬件相關(guān)；NWK網(wǎng)絡(luò)層、OSAL操作系統(tǒng)抽象層、APS應(yīng)用支持子層、AF應(yīng)用框架層、ZDO ZigBee設(shè)備對(duì)象以及安全層建立在HAL和MAC層之上，并且完全與硬件無(wú)關(guān)；整個(gè)協(xié)議棧的最頂層就是用戶(hù)的應(yīng)用程序?qū)覣PP。HAL提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer、通用I/O口、UART、ADC等應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴(kuò)展集。Z-Stack協(xié)議?；谑录?qū)動(dòng)和消息傳遞的機(jī)制，協(xié)議棧中的每一層都設(shè)計(jì)了一個(gè)事件處理函數(shù)，用來(lái)處理與這一層操作相關(guān)的各種事件，將這些事件處理函數(shù)看成是與協(xié)議棧每一層相對(duì)應(yīng)的任務(wù)，由ZigBee協(xié)議棧中OSAL來(lái)進(jìn)行調(diào)度管理，這樣不管何時(shí)發(fā)生了何種事件，都可以通過(guò)調(diào)度協(xié)議棧相應(yīng)層的事件處理函數(shù)/任務(wù)來(lái)進(jìn)行處理[2]。

圖1示例解釋了Z-Stack協(xié)議棧中main()函數(shù)和osal_run_system()函數(shù)主循環(huán)的執(zhí)行流程。

圖1　Z-Stack協(xié)議棧整體流程

2　Z-Stack協(xié)議棧的按鍵定義和配置

Z-Stack中總共定義了7個(gè)按鍵，其中SW1～SW5屬于Joystick的UP上、RT右、DN下、LT左、PUSH/CENTER中間5個(gè)按鍵，SW6和SW7屬于2個(gè)獨(dú)立的按鍵開(kāi)關(guān)，當(dāng)SW6按下時(shí),相應(yīng)P0.1引腳為低電平，彈起時(shí)靠上拉電阻處于高電平。在Z-Stack源代碼HALinclude目錄下的文件hal_key.h和hal_key.c中有按鍵的定義。Joystick按鍵對(duì)應(yīng)于圖2中的S3按鍵，通過(guò)組合邏輯SN74HC32D芯片輸出JOYSTICK_INT信號(hào)給P2.0引腳，通過(guò)其電平從低到高的變化來(lái)判斷按鍵是否按下；同時(shí)將各個(gè)按鍵按下時(shí)的不同電位通過(guò)同相比例放大器輸出按鍵信號(hào)JOYSTICK_ADC輸入給ADC，經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換之后獲取不同的按鍵值，以此判斷Joystick具體是哪個(gè)按鍵按下的動(dòng)作。Joystick按鍵原理圖下半部分如圖3所示。

圖2　Joystick按鍵原理圖上半部

圖3　Joystick按鍵原理圖下半部

Z-Stack源代碼的hal_key.h中定義了按鍵的鍵值，hal_key.c中定義各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的I/O引腳、終端觸發(fā)的方式、Joystick按鍵對(duì)應(yīng)的ADC通道等相關(guān)寄存器信息。

根據(jù)Z-Stack協(xié)議棧工作流程，main()函數(shù)調(diào)用HalDriverInit()函數(shù)進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)的初始化，HalDriverInit()函數(shù)調(diào)用HalKeyInit()進(jìn)行按鍵初始化，其中定義了全局變量HalKeyConfigured，用來(lái)作為按鍵是否已配置的標(biāo)志，其初始化為FALSE。

在main()函數(shù)執(zhí)行第二次InitBoard()函數(shù)，也就是板子的最終初始化時(shí)，傳入的參數(shù)為OB_READY，因此調(diào)用HalKeyConfig()函數(shù)來(lái)進(jìn)行按鍵的配置。

void InitBoard( uint8 level ){

if ( level == OB_COLD ){

……

}

else// !OB_COLD{

/*調(diào)用HalKeyConfig函數(shù)對(duì)按鍵進(jìn)行配置*/

HalKeyConfig(HAL_KEY_INTERRUPT_DISABLE, OnBoard_KeyCallback);

}

}

按鍵配置函數(shù)HalKeyConfig的定義如下：

void HalKeyConfig (bool interruptEnable, halKeyCBack_t cback){

/*通過(guò)傳入的參數(shù)interruptEnable決定是否采用中斷的方式*/

Hal_KeyIntEnable = interruptEnable;

/*通過(guò)傳入的參數(shù)cback來(lái)注冊(cè)按鍵處理回調(diào)函數(shù)指針pHalKeyProcessFunction*/

pHalKeyProcessFunction = cback;

/*如果采用按鍵中斷的方式*/

if (Hal_KeyIntEnable)

{/*SW_6鍵(P0.1引腳) 上升沿或者下降沿觸發(fā)中斷的配置*/

……

/*Joystick鍵 判斷按鍵是否動(dòng)作(P2.0引腳) 上升沿或者下降沿觸發(fā)中斷的配置*/

HAL_KEY_JOY_MOVE_ICTL &=～(HAL_KEY_JOY_MOVE_EDGEBIT);

/* Clear the edge bit */

……

}

else/*沒(méi)有采用中斷方式，也就是按鍵輪詢(xún)方式*/

{/*SW_6鍵禁止中斷*/

……

osal_set_event(Hal_TaskID, HAL_KEY_EVENT);

/*產(chǎn)生HAL_KEY_EVENT事件*/

}

HalKeyConfigured = TRUE;

/*HalKeyConfigured變量最終配置為T(mén)RUE*/

}

可以看出，HalKeyConfig函數(shù)針對(duì)按鍵采用輪詢(xún)方式或者中斷方式進(jìn)行了兩種配置，并且對(duì)按鍵處理回調(diào)函數(shù)指針pHalKeyProcessFunction進(jìn)行賦值，指定相應(yīng)的回調(diào)處理函數(shù)，最終HalKeyConfig全局變量設(shè)置為T(mén)RUE，代表按鍵配置完畢。在按鍵輪詢(xún)的方式中，調(diào)用了osal_set_event(Hal_TaskID, HAL_KEY_EVENT)函數(shù)，產(chǎn)生HAL_KEY_EVENT事件，交給HAL層去處理。

3　Z-Stack協(xié)議棧的按鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制

Z-Stack中提供了兩種方式采集按鍵數(shù)據(jù)：輪詢(xún)方式和中斷方式。

在輪詢(xún)方式中，每隔一定時(shí)間(默認(rèn)周期為100 ms)產(chǎn)生定時(shí)事件HAL_KEY_EVENT，OSAL調(diào)用HAL層的Hal_ProcessEvent()函數(shù)處理該事件，然后調(diào)用HalKeyPoll()函數(shù)來(lái)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，如果按鍵有變化，則交給pHalKeyProcessFunction()回調(diào)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

uint16 Hal_ProcessEvent(uint8 task_id, uint16 events){

……

if (events & HAL_KEY_EVENT){

#if (defined HAL_KEY) && (HAL_KEY == TRUE)

HalKeyPoll();/*按鍵檢測(cè)狀態(tài)函數(shù)*/

/*如果是按鍵輪詢(xún)方式,則通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)HAL_KEY_EVENT事件來(lái)進(jìn)行下一輪輪詢(xún)*/

if (!Hal_KeyIntEnable){/*100ms定時(shí)周期發(fā)送HAL_KEY_EVENT事件*/

osal_start_timerEx(Hal_TaskID,HAL_KEY_EVENT,100);

}

#endif // HAL_KEY

return events ^ HAL_KEY_EVENT;

}

……

}

函數(shù)HalKeyPoll()的定義如下：

void HalKeyPoll (void){

uint8 keys = 0;/*keys用來(lái)儲(chǔ)存鍵值*/

/*Joystick的P2.0引腳電平是高電平,表明Joystick有按鍵按下*/

if ((HAL_KEY_JOY_MOVE_PORT & HAL_KEY_JOY_MOVE_BIT)){

/*通過(guò)halGetJoyKeyInput函數(shù)返回Joystick按鍵鍵值*/

keys = halGetJoyKeyInput();

}

/*如果是按鍵輪詢(xún)方式，通過(guò)當(dāng)前按鍵狀態(tài)與之前的狀態(tài)進(jìn)行比較來(lái)判斷是否有按鍵按下*/

if (!Hal_KeyIntEnable){

if (keys == halKeySavedKeys){

/*如果當(dāng)前按鍵狀態(tài)沒(méi)有變化，直接返回退出*/

return;

}

halKeySavedKeys = keys;

/*存儲(chǔ)當(dāng)前的按鍵值用于下一次的比較*/

}

……

/*通過(guò)P0.1引腳電平的高低來(lái)設(shè)置keys鍵值*/

if (HAL_PUSH_BUTTON1()){/*等價(jià)于if(P0_1) */

keys |= HAL_KEY_SW_6;

}

/*如果有按鍵按下,調(diào)用按鍵的回調(diào)函數(shù)處理按鍵事務(wù)*/

if (keys && (pHalKeyProcessFunction)){

(pHalKeyProcessFunction) (keys, HAL_KEY_STATE_NORMAL);

}

}

在中斷方式中，按鍵觸發(fā)按鍵中斷，在按鍵中斷ISR中調(diào)用halProcessKeyInterrupt()函數(shù)，其通過(guò)延遲定時(shí)25 ms(按鍵消抖)后，產(chǎn)生按鍵HAL_KEY_EVENT事件，交給HAL層的Hal_ProcessEvent()函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，后續(xù)流程同輪詢(xún)方式。

4　Joystick按鍵的工作原理

通過(guò)上面的分析，可以看出不論是輪詢(xún)方式還是中斷方式，均通過(guò)HalKeyPoll()函數(shù)來(lái)判定按鍵狀態(tài)的變化，其中Joystick依靠halGetJoyKeyInput()函數(shù)來(lái)獲取鍵值。在分析該函數(shù)之前，先來(lái)看看Joystick按鍵工作的原理。

由圖2可知，SN74HC32D是1個(gè)4組2輸入1輸出的或門(mén)，由其硬件電路可以推導(dǎo)出組合邏輯表達(dá)式：

JOYSTICK_INT=3Y=3A+3B=PUSH+4Y=

PUSH+4A+4B=PUSH+2Y+1Y=

PUSH+2A+2B+1A+1B=

PUSH+LT+RT+UP+DN

這意味著，JOYSTICK_INT(P2.0引腳)是Joystick的SW1～SW5這5個(gè)按鍵狀態(tài)的邏輯或，只要有任意1個(gè)按鍵按下(Joystick按鍵的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了5個(gè)鍵中只能有1個(gè)按下，不可能有多個(gè)按鍵同時(shí)按下)，那么P2.0引腳上就是高電平；否則當(dāng)5個(gè)按鍵都不按下，P2.0引腳為低電平；反過(guò)來(lái)，如果P2.0引腳上是高電平，只知道這5個(gè)鍵中有某個(gè)鍵被按下，但不知道是具體哪一個(gè)。

具體按鍵的判斷是通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器獲取不同鍵值來(lái)判定的。當(dāng)UP鍵按下時(shí)，圖3可以等效為圖4。

圖4　UP鍵按下時(shí)的等效電路

R//=(R16+R27)//(R11+R29+R30)//(R17+R36+R37)=300k//500k//764k=150.55k，由理想運(yùn)放的“虛斷”可知，U1的同相輸入端電位：

由理想運(yùn)放的“虛短”可知，U1的反向輸入端電位：

V-=V+=1.03125V

對(duì)于U1的反向輸入端節(jié)點(diǎn)，由基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律可知：

對(duì)于運(yùn)放U2，構(gòu)成了一個(gè)同相比例放大電路，其電壓增益為：

因此，U2輸出端JOYSTICK_ADC電位是：

JOYSTICK_ADC=Vout1×Av=

0.2394V×1.42553=0.3413V

這表明，當(dāng)UP鍵按下時(shí)，通過(guò)2個(gè)運(yùn)放放大之后，JOYSTICK_ADC電位是0.341 3 V。

同理，可以依次計(jì)算，當(dāng)DN、LT、RT、CENTER鍵按下時(shí)，不同的JOYSTICK_ADC電位值，由于Z-Stack協(xié)議棧中，對(duì)Joystick按鍵的ADC采用8位有效數(shù)字(最高位0代表正)，參考電壓為3.3 V，那么經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后的值，如表1所列。

在之前的按鍵代碼分析中提到，HalKeyPoll()函數(shù)用來(lái)判定按鍵狀態(tài)的變化，其中Joystick依靠halGetJoyKeyInput()函數(shù)來(lái)獲取鍵值，halGetJoyKeyInput()函數(shù)的代碼如下，可以看到與表1的理論計(jì)算結(jié)果完美對(duì)應(yīng)。

表1　理論上Joystick按鍵對(duì)應(yīng)的電位值和A/D轉(zhuǎn)換值

uint8 halGetJoyKeyInput(void){

……

/*讀取Joystick按鍵ADC直到兩次連續(xù)ADC值相同(穩(wěn)定)為止*/

adc = HalAdcRead (HAL_KEY_JOY_CHN, HAL_ADC_RESOLUTION_8);//ADC 8位有效數(shù)字

if ((adc >= 2) && (adc <= 38)){ // UP/13

ksave0 |= HAL_KEY_UP;

}

else if ((adc >= 74) && (adc <= 88)){ // RT/77

ksave0 |= HAL_KEY_RIGHT;

}

else if ((adc >= 60) && (adc <= 73)){// LT/68

ksave0 |= HAL_KEY_LEFT;

}

else if ((adc >= 39) && (adc <= 59)){// DN/49

ksave0 |= HAL_KEY_DOWN;

}

else if ((adc >= 89) && (adc <= 100)){// CENTER/90

ksave0 |= HAL_KEY_CENTER;

}

……

}

5　Z-Stack協(xié)議棧的按鍵事件處理

在按鍵狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)HalKeyPoll()中，如果發(fā)現(xiàn)按鍵狀態(tài)有變化，就會(huì)通過(guò) (pHalKeyProcessFunction) (keys,HAL_KEY_STATE_NORMAL)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵事務(wù)回調(diào)函數(shù)OnBoard_KeyCallback()的調(diào)用。OnBoard_KeyCallback()函數(shù)又通過(guò)調(diào)用OnBoard_SendKeys(keys,shift)，將按鍵值和按鍵狀態(tài)打包成KEY_CHANGE事件，發(fā)送到RegisterForKeys()函數(shù)注冊(cè)層，交給該層進(jìn)行按鍵事務(wù)的處理。

在TI官方SampleApp項(xiàng)目例程中，SampleApp應(yīng)用層的任務(wù)初始化函數(shù)SampleApp_Init()通過(guò)RegisterForKeys(SampleApp_TaskID)把按鍵的最終處理交給應(yīng)用層。一旦有按鍵KEY_CHANGE事件，就會(huì)觸發(fā)應(yīng)用層的事件處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent()來(lái)進(jìn)行按鍵處理，如下所示：

uint16 SampleApp_ProcessEvent(uint8 task_id, uint16 events){

……

switch (MSGpkt->hdr.event){ //判斷消息包頭的事件是否是KEY_CHANGE

case KEY_CHANGE:

//應(yīng)用層處理按鍵事務(wù)，交給SampleApp_HandleKeys函數(shù)，可根據(jù)不同的鍵值做相應(yīng)處理

SampleApp_HandleKeys(((keyChange_t *)MSGpkt)->state, ((keyChange_t *)MSGpkt)->keys);

break;

……

}

……

}

結(jié)　語(yǔ)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Z-Stack中提供了兩種按鍵機(jī)制：輪詢(xún)方式和中斷方式，在HalKeyConfig()函數(shù)中按兩種機(jī)制分別進(jìn)行按鍵配置。兩者均調(diào)用HalKeyPoll()函數(shù)來(lái)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，如果按鍵有變化，則交給回調(diào)函數(shù)處理，同時(shí)回調(diào)函數(shù)會(huì)向RegisterForKeys()函數(shù)注冊(cè)層(一般是應(yīng)用層APP)發(fā)送事件KEY_CHANGE，最終交給該層的事件處理函數(shù)APP_ProcessEvent()集中處理[1,3]。

需要注意的地方總結(jié)一下：①按鍵默認(rèn)為輪詢(xún)的方式，如果想修改按鍵為中斷方式，則需要將OnBoard.c中的函數(shù)void InitBoard()中的語(yǔ)句修改為HalKeyConfig(HAL_KEY_INTERRUPT_ENABLE,OnBoard_KeyCallback)；②Joystick通過(guò)或門(mén)器件實(shí)現(xiàn)了多個(gè)按鍵的按下判斷，并通過(guò)獲取ADC按鍵值來(lái)判定具體哪個(gè)按鍵被按下，通過(guò)這種方式，多按鍵的時(shí)候可以通過(guò)ADC外加2個(gè)I/O引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)多按鍵驅(qū)動(dòng)。