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文檔簡介
1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 TinyOS的CC2420驅(qū)動組件的分析 引言 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)有兩種常用體系構(gòu)造:Atmel AVR處理器+TinyOS和MSP430+TinyOS.本文采用 ATmega128L+TinyOS的體系構(gòu)造。因此,CC2420驅(qū)動組件設(shè)計應(yīng)符合TinyOS的硬件抽象體系構(gòu)造(Hardware Abstraction Architecture,HAA).TinyOS中將硬件抽象體系構(gòu)造分為3層:硬件表示層(Hardware Presentation Layer,HPL)、硬件適配層(Hardware Adapation L
2、ayer,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(xì)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)硬件抽象體系構(gòu)造的原則,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(jī)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(diǎn)。 1 nesC語言及TinyO
3、S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語言開展了一定的擴(kuò)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.用nesC語言編寫的TinyOS,將輕量級線程、主動消息通信模型、事件驅(qū)動機(jī)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。 圖1 TinyOS組件模
4、型體系構(gòu)造 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(dú)立的組件組合到各種配件文件中,并在應(yīng)用程序的頂層(toplevel)配件文件中完成程序的整體裝配。TinyOS的組件模型體系構(gòu)造如圖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,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;合成組件模擬硬件行為;高層軟件組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對的是實(shí)際硬件上的抽象層。 2 節(jié)點(diǎn)硬件模塊 節(jié)點(diǎn)采用ATmega
5、128L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無線收發(fā)芯片符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),工作在ISM 2.4 GHz頻段。其內(nèi)部集成了壓控振蕩器、天線、16 MHz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)部存放器和存儲區(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S
6、FD、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(biāo)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)ATmega128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評估有效,通常為CSMACA算法的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。 3
7、 CC2420驅(qū)動組件 TinyOS中的硬件抽象體系構(gòu)造分為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(shí)際需求,完成了其中兩層構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)。 3.1 HPL組件 如前面所述,ATmega128L通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部存放器和存儲區(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(shí)現(xiàn)對底層硬件的隔離。 HPL體系構(gòu)造如圖3所示。HPL組件包括3個模塊文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Int
8、errupt,分別實(shí)現(xiàn)CC2420的不同功能接口,由HPLCC2420C以組件的形式將所有的接口函數(shù)封裝起來,提供應(yīng)HAL組件調(diào)用。 圖3 HPL體系構(gòu)造 HPLCC2420FIFOM模塊文件實(shí)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: /將一串?dāng)?shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存區(qū)TXFIFO, 完成后告知TXFIFODone()函數(shù) async command result_t HPLCC2420FIFO.writeTXFIFO(uint8_t len,uint8_t *msg); /讀取接收緩存區(qū)RXFIFO中的數(shù)據(jù),完成后告知RXFIFODone()
9、函數(shù) async command result_t HPLCC2420FIFO.readRXFIFO(uint8_t len,uint8_t *msg); HPLCC2420M模塊文件實(shí)現(xiàn)了3個接口: StdControl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)存放器的初始化工作。 HPLCC2420接口,實(shí)現(xiàn)CC2420內(nèi)部存放器的讀寫功能。CC2420有33個控制/狀態(tài)存放器、15個命令選通存放器和2個訪問FIFO緩存區(qū)的存放器。 HPLCC2420RAM接口,實(shí)現(xiàn)對CC2420內(nèi)部RAM的讀寫功能。CC2420的內(nèi)部RAM分為3塊-12
10、8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: /寫CC2420的命令選通存放器 async command uint8_t HPLCC2420.cmd(uint8_t addr) /寫存放器 async command result_t HPLCC2420.write(uint8_t addr, uint16_t data) /CC2420內(nèi)部RAM讀寫接口函數(shù) 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); /讀寫完成向上調(diào)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模塊文件實(shí)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(dāng)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(jī)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)開展上層處理。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)
13、,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根底上進(jìn)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開展封裝供上層HIL組件調(diào)用。HAL體系構(gòu)造如圖4所示。HAL組件包括兩個模塊文件CC2420RadioM.nc和CC2420Control.nc,由配置
14、文件CC2420RadioC.nc裝配起來。 CC2420ControlM模塊文件使用SplitControl接口完成CC2420的存放器初始化、啟動等工作,主要函數(shù)如下: command result_t SplitControl.init();/CC2420存放器初始化 command result_t SplitControl.start();/開啟1.8 V穩(wěn)壓源供電,將復(fù)位RSTN引腳置為高電平,啟動CC2420晶振 CC2420ControlM模塊文件還實(shí)現(xiàn)了CC2420Control接口,實(shí)現(xiàn)對CC2420的一些控制功能: command result_t CC2420Contr
15、ol.TunePreset(uint8_t chnl);/通信頻道設(shè)置 async command result_t CC2420Control.TxMode();/設(shè)為發(fā)送模式 async command result_t CC2420Control.RxMode();/設(shè)為接收模式 async command result_t CC2420Control.OscillatorOn();/開啟晶振 async command result_t CC2420Control.enableAutoAck();/自動應(yīng)答幀功能使能 async command result_t CC2420Control.enableAddrDecode();/地址識別功能使能 command result_t CC2420Control.setShortAddress(uint16_t addr);/設(shè)置設(shè)備地址 CC2420RadioM使用BareSendMsg接口發(fā)送消息,使用ReceiveMsg接口接收消息: command result_t BareSendMsg.Send(TOS_MsgPtr msg);/發(fā)送消息 event result_t BareS
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