首页 > 嵌入式硬件 > 驱动开发

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。

1nesC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1TinyOS组件模型体系结构

本文引用地址: http://embed.21ic.com/hardware/drivers/201806/63168.html

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2ATmega128L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。

3CC2420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。

3.1HPL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3HPL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:

//将一串数据写入发送缓存区TXFIFO, 完成后告知TXFIFODone()函数
async command result_t HPLCC2420FIFO.writeTXFIFO(uint8_t len,uint8_t *msg);
//读取接收缓存区RXFIFO中的数据,完成后告知RXFIFODone()函数
async command result_t HPLCC2420FIFO.readRXFIFO(uint8_t len,uint8_t *msg);

HPLCC2420M模块文件实现了3个接口:
① StdControl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。
② HPLCC2420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。
③ HPLCC2420RAM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:
//写CC2420的命令选通寄存器
async command uint8_t HPLCC2420.cmd(uint8_t addr)
//写寄存器
async command result_t HPLCC2420.write(uint8_t addr, uint16_t data)
//CC2420内部RAM读写接口函数
async command result_t HPLCC2420RAM.write(uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer);
async command result_t HPLCC2420RAM.read(uint16_t addr, uint8_t length, uint8_t* buffer);
//读写完成向上调用的事件通知
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);

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。

3.2HAL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:
command result_t SplitControl.init();//CC2420寄存器初始化
command result_t SplitControl.start();//开启1.8 V稳压源供电,将复位RSTN引脚置为高电平,启动CC2420晶振
CC2420ControlM模块文件还实现了CC2420Control接口,实现对CC2420的一些控制功能:
command result_t CC2420Control.TunePreset(uint8_t chnl);//通信频道设置
async command result_t CC2420Control.TxMode();//设为发送模式
async command result_t CC2420Control.RxMode();//设为接收模式
async command result_t CC2420Control.OscillatorOn();//开启晶振
async command result_t CC2420Control.enableAutoAck();//自动应答帧功能使能
async command result_t CC2420Control.enableAddrDecode();//地址识别功能使能
command result_t CC2420Control.setShortAddress(uint16_t addr);//设置设备地址
CC2420RadioM使用BareSendMsg接口发送消息,使用ReceiveMsg接口接收消息:
command result_t BareSendMsg.Send(TOS_MsgPtr msg);//发送消息
event result_t BareSendMsg.sendDone(TOS_MsgPtr msg,result_t success);//发送完成
event TOS_MsgPtr ReceiveMsg.receive(TOS_MsgPtr m);//接收消息事件通告

图4HAL体系结构

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。

换一批

延伸阅读

[真心话] 如何完成从一个“电子爱好者”到电子工程师的蜕变?

如何完成从一个“电子爱好者”到电子工程师的蜕变?

毕竟兴趣是最好的老师,许多优秀的电子工程师都是从小作为电子爱好者的。爱好不仅要体现在行动中更要深入内心甚至深入骨髓。......

关键字:电子工程师

[趣科技] 科学家培育出更加逼真的类大脑:直径4毫米微型球状

科学家培育出更加逼真的类大脑:直径4毫米微型球状

而斯坦福大学的神经科学家塞吉厄·帕斯卡(Sergiu Pa?ca)希望精神病学领域也能经历如此巨大的转变。但与癌症相比,研究人脑带来的挑战更大。由于大脑科学家不能像医生解剖肿瘤那样、从健康人的大脑皮层下切下一块组织,他们必须发挥创造力、另辟......

关键字:类大脑 肿瘤治疗

[真心话] 一个出色的硬件工程师必备的六项基本能力

一个出色的硬件工程师必备的六项基本能力

对于很多硬件工程师而言,每天都在忙活着手头上的工作,但是有时候并不知道自己的水平去到哪里,也不知道怎样提高,这在这个瞬息万变的社会里面,其实有点危险!毕竟我们这些凭手艺吃饭的人不像某些尸位素餐的某猿,是跟不上潮流就会被淘汰的。......

关键字:硬件工程师 基本能力

[疯狂史] 忆当年硬件开发梦:就俩字,TM青涩!

忆当年硬件开发梦:就俩字,TM青涩!

此文仅献给那些刚刚踏上硬件之路和还在徘徊的同学们,在此我简要的记录了我的学习经历和其间自己所获的一些心得,以帮助初学者少走弯路。......

关键字:硬件开发 硬件学习

[真心话] 明明数千行代码能搞定的为什么要写数万行?

明明数千行代码能搞定的为什么要写数万行?

本文是小编在FB看到的,觉得挺有意思的,应该是很多公司或者软件工程师都会遇到的,特地转过来分享给大家。......

关键字:代码 工程师

[新鲜事] 航天界震惊!美国正式宣布重返月球,特朗普要创造历史?

航天界震惊!美国正式宣布重返月球,特朗普要创造历史?

美国人民对于月球总是抱有一种特殊的感情。这是有很好理由的——毕竟美国人的国旗和他们当年登月宇航员的脚印到现在还留在月面上。20世纪60年代到70年代执行的阿波罗登月计划是人类航天的巅峰之作,很好地向我们证明了,如果一个国家下定决心要做成一件......

关键字:美国 特朗普 月球
条评论

我 要 评 论

网友评论

大家都爱看

  • 扇出型晶圆级封装的优势和挑战!

    我们有能力创造一些能保持前代性能并且更好更小的电子设备,例如今天的可穿戴设备、智能手机或平板电脑,这是由于很多因素超过摩尔定律而快速发展,从而能够从底层的嵌入组件发展到今天把它们封…

    2018-03-29
  • Xilinx推出革命性的新型自适应计算产品

    自适应和智能计算的全球领先企业赛灵思公司(Xilinx, Inc.,(NASDAQ:XLNX)),近日宣布推出一款超越FPGA功能的突破性新型产品,名为ACAP(Adaptive Compute Acceleration Platform,自适应计算加速…

    2018-03-20
  • 赛普拉斯为树莓派3 B+ IoT单板计算机提供强大稳定的无

    先进嵌入式系统解决方案的领导者赛普拉斯(纳斯达克代码:CY)近日宣布其Wi-Fi®和蓝牙®combo解决方案为全新的树莓派 3 B+(Raspberry Pi 3Model B+)IoT单板计算机提供强大稳定的无线连接…

    2018-03-20
  • 观看直播领红包,SEED-A10加速卡助力人工智能

    随着云服务器、云计算的发展,大家对硬件加速的需求越来越多,但是随着设备功耗的上升、性能需求越来越高,常规加速设备以及开始不能满足需求,因此FPGA逐渐在硬件加速中找到了自己的位置,而艾…

    2018-03-19
  • 特朗普:博通不得以任何形式收购高通

    白宫周一(3月12日)晚发出声明,川普(特朗普)总统出于“国家安全”考量、禁止新加坡博通公司(Broadcom)收购美国高通公司(Qualcomm)。

    2018-03-14