基于TinyOS的CC2420驱动组件的研究

刘帅，周悦

（沈阳建筑大学 信息与控制工程学院，沈阳110168）

刘帅（硕士研究生），主要研究领域为无线传感器网络；周悦（教授），主要研究领域为分布式控制系统、无线传感器网络和建筑智能化。

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［5－6］，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。

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（top－level）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。

图1 TinyOS组件模型体系结构

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 2.4GHz频段。其内部集成了压控振荡器、天线、16MHz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ATmega 128L的中断。CCA引脚有效表示信道空闲评估有效，通常为CSMA－CA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。

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：

HPLCC2420M模块文件实现了3个接口：

①StdControl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。

②HPLCC2420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。

③HPLCC2420RAM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：

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：

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。

图4 HAL体系结构

［1］Hill J，Szewczyk R，Woo A，et al.System architecture directions for networked sensors［J］.ACM SⅠGPLAN Notices，2000（11）：93－104.

［2］Dubois－Ferriere H，Meier R，Fabre L，et al.TinyNode：a comprehensive platform for wireless sensornetwork applications［C］／／Proceedings of the 6th Ⅰnformation Processing in Sensior Networks，2006.

［3］Handziski V，Polastre J.Hardware Abstraction Architecture［EB／OL］.（2007－02－22）［2011－07］.http：／／www.tinyos.net／tinyos－w.x／doc.

［4］Gay D，Levis P，Culler D，et al.nesC 1.1Langueage Reference Manual，2003.

［5］TinyOS Documentation［EB／OL］.（2003－10）［2011－07］.http：／／www.tinyos.net／tinyos－1.x／doc.

［6］孙利民，李健中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［7］Chipcon.CC2420Datasheet［EB／OL］.［2011－07］.http：／／www.chipcon.com.