基于TinyOS的CC2420驱动组件的研究

摘要： 首先介绍了nesC语言及专门面向传感器网络的TinyOS操作系统软件平台，然后阐述了网络节点的硬件模块功能特点及其接口电路，最后根据硬件抽象体系结构的原则，在TinyOS操作系统平台下，对CC2420无线收发模块驱动组件设计作了深入的研究，以组件的形式将其硬件功能封装成接口供上层软件调用，实现了对上层软件的硬件特征屏蔽，从而实现该模块功能的软件语言表达和兼容性较强的跨平台抽象体系结构。

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[56],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。

图1 TinyOS组件模型体系结构

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（toplevel）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。

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 2.4 GHz频段。其内部集成了压控振荡器、天线、16 MHz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ATmega128L的中断。CCA引脚有效表示信道空闲评估有效，通常为CSMACA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