基于TinyOS的CC2420驱动组件的研究
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 sys
tems)语言。用nesc语言编写的tinyos，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。
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。
cc2420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。cc24 20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、hplcc2420interrupt，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。
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hplcc 2420interrupt(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resul t_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。hplcc2420 in terruptm模块文件还调用了hpltimerlm.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.ne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 split control.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：
cc2420radiom使用baresendmsg接口发送消息，使用receivemsg接口接收消息：
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。
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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。
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。
cc2420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。cc24 20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、hplcc2420interrupt，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。
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hplcc 2420interrupt(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resul t_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。hplcc2420 in terruptm模块文件还调用了hpltimerlm.nc和timerc.nc文件中的timer接口函数，完成相关的底层中断处理。
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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 split control.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：
cc2420radiom使用baresendmsg接口发送消息，使用receivemsg接口接收消息：
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。
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