傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)平臺(tái)TinyOS下CC2420驅(qū)動(dòng)組件的設(shè)計(jì)
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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(dòng)組件設(shè)計(jì)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(jì)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)硬件抽象體系結(jié)構(gòu)的原則，對CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS平臺(tái)下的驅(qū)動(dòng)組件設(shè)計(jì)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(dòng)消息、基于事件驅(qū)動(dòng)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(jìn)行了一定的擴(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[4].用nesC語言編寫的TinyOS[56],將輕量級線程、主動(dòng)消息通信模型、事件驅(qū)動(dòng)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組件模型體系結(jié)構(gòu)
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(hào)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(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(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(gè)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(chǔ)區(qū)；CC2420為SPI接口從設(shè)備，接收時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，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(gè)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(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識(shí)別，在地址識(shí)別后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標(biāo)識(shí)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(gè)臨界值時(shí)或者在CC2420接收到一個(gè)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 CC2420驅(qū)動(dòng)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(jì)根據(jù)實(shí)際需求，完成了其中兩層結(jié)構(gòu)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)部寄存器和存儲(chǔ)區(qū)，CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)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體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。HPL組件包括3個(gè)模塊文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Interrupt,分別實(shí)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。
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