無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )底層平臺的深層研究

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用一般需要無(wú)線(xiàn)操作系統的支撐，才能有效地管理和調度資源，提高系統的效率。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的底層平臺是連接上層軟件和底層硬件的橋梁，是無(wú)線(xiàn)操作系統研究的重要技術(shù)之一。合理的底層平臺能夠提高系統的兼容性、穩定性、可移植性和開(kāi)發(fā)效率。本文主要研究了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )操作系統的底層平臺，對無(wú)線(xiàn)模塊、USART、SPI、中斷和定時(shí)器進(jìn)行了詳細介紹。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；底層平臺；STM32；CC2520

引言
目前，對WSN(Wireless Sensor Netwoek)的研究主要集中在協(xié)議棧、定位算法、能耗管理以及體系結構設計上，而針對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )操作系統的研究卻相對較少，尤其是對其底層平臺的研究更少，所以針對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )操作系統底層平臺的研究有十分廣闊的空間。本論文針對意法半導體STM32系列MCU和TI公司的CC2520無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行介紹。主要描述了操作系統底層平臺的構建，以及硬件驅動(dòng)程序的實(shí)現。本論文的底層硬件抽象層是針對CC2520無(wú)線(xiàn)射頻模塊的，包括了平臺構建、相關(guān)寄存器，以及外圍接口等各個(gè)部分。而硬件驅動(dòng)程序主要是為完成無(wú)線(xiàn)通信所需的硬件驅動(dòng)設計，這主要包括：相應異步事件的中斷機制；和PC通信的USART驅動(dòng)；連接MCU和CC2520的SPI驅動(dòng)；完成超時(shí)計時(shí)的定時(shí)器等。這些模塊的有效組成，才能構成一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )最小通信系統，完成節點(diǎn)間數據傳輸、數據處理，以及定位和導航等任務(wù)。
STM32系列MCU采用ARM公司V7架構的Correx—M3內核。CC2520是第二代ZigBee／IEEE 802．15．4收發(fā)器。

1 底層平臺研究
硬件抽象層的底層硬件模塊有很多，本節只簡(jiǎn)單介紹和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的底層模塊設計。
1．1 定時(shí)器
STM32系列的CPU能提供8個(gè)定時(shí)器，其中TIM1和TIM8是高級定時(shí)器，可用于各種用途，包括測量輸入信號的脈沖長(cháng)度(輸入捕捉)或產(chǎn)生輸出波形(輸出比較)等，它們的時(shí)鐘由APB2提供。TIM2～TIM7是普通定時(shí)器，時(shí)鐘由APB1提拱。圖1為STM32時(shí)鐘樹(shù)中有關(guān)定時(shí)器的部分。

從圖1可以看出，從系統設置的時(shí)鐘源產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率輸入到AHB預分頻器，進(jìn)行分頻處理，然后經(jīng)過(guò)APB1預分頻器和APB2預分頻器給不同模塊提供不同的時(shí)鐘頻率。下面以定時(shí)器2作為例子說(shuō)明。當AHB預分頻器輸入頻率為72 MHz的時(shí)候，由于A(yíng)PB1支持的最大頻率為36 MHz，所以APB1預分頻器，設置必須大于或等于2，假設設置為2，則在A(yíng)PB1倍頻器中，頻率被設置為72 MHz(當APB1分頻數=1的時(shí)候，APB1倍頻器加倍系數為1，當APBl分頻數>1的時(shí)候，APB1倍頻器加倍系數為2)，所以最終提供給定時(shí)器2～7的頻率為72 MHz。所以只需要設置APB1預分頻器和APB1倍頻器的值，便可以提供不同頻率的定時(shí)器。定時(shí)器采用計數溢出的方式觸發(fā)定時(shí)器中斷，因此想要使用定時(shí)器，必須先配置好定時(shí)器中斷。
1．2 中斷
對STM32系列MCU的中斷配置步驟如下：
①系統初始化：如系統時(shí)鐘初始化，使用固件模板中自帶的SystemInit()函數即可，此函數把主頻默認調整到72 MHz。
②GPIO配置：配置觸發(fā)CPU中斷的引腳，務(wù)必注意打開(kāi)相應引腳的GPIO時(shí)鐘和AFIO時(shí)鐘。配置引腳的頻率和輸入模式，一般為浮空輸入模式。
③EXTI配置：首先指明當前系統中使用哪個(gè)引腳作為觸發(fā)外部中斷的引腳，然后清除中斷標志位，配置中斷請求和觸發(fā)方式(上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā))。
④NVIC配置：主要配置中斷對應的通道，并且設置優(yōu)先級別，最后需要對通道使能。
⑤編寫(xiě)中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序是發(fā)生中斷時(shí)實(shí)際運行的程序，它打斷了正在運行的程序，對相應中斷事件進(jìn)行相應處理。由于中斷程序打斷了現有程序的運行，而且需要對中斷事件作出快速響應，所以要盡量短小，而且不能傳遞參數，沒(méi)有返回值。
1．3 USART
USART模塊一般分為三大部分：數據發(fā)送器、數據接收器和時(shí)鐘發(fā)生器。所有模塊共享控制寄存器。時(shí)鐘發(fā)生器由波特率發(fā)生器和同步邏輯電路組成。
數據發(fā)送器部分由寫(xiě)入緩沖寄存器(USART DR)、校驗位發(fā)生器、串行移位寄存器和控制邏輯電路構成。使用寫(xiě)入緩沖寄存器，可以連續快速地發(fā)送多幀數據。
數據接收器是USART模塊最復雜的部分最主要的是數據接收單元和時(shí)鐘。數據接收單元用作異步數據的接收。數據接收器還包括移位寄存器、控制邏輯、校驗位校驗器和接收緩沖器。數據接收器支持與數據發(fā)送器相同的幀結構，同時(shí)支持數據溢出、幀錯誤和校驗錯誤的檢測。
無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)可以通過(guò)USART與PC通信。本文只實(shí)現了簡(jiǎn)單的USART功能。串口使用前需要完成初始化，主要設置字長(cháng)、波特率、奇偶校驗位、傳輸模式、數據位數、流控制、打開(kāi)串口時(shí)鐘和配置串口發(fā)送接收引腳等。
有了串口的輸入／輸出功能后，可以自己重寫(xiě)庫函數printf，便于調試和觀(guān)察節點(diǎn)運行情況，讓節點(diǎn)終端輸出重定向到PC，然后在PC上通過(guò)串口工具顯示節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據信息，從而分析終端運行情況。具體函數設計是：如果節點(diǎn)輸出字符串數據，則直接調用串口輸出字符串函數，通過(guò)串口把字符串數據發(fā)送到PC顯示；如果是輸出數字，則先把數字按指定顯示進(jìn)制轉換成字符串，然后按照輸出字符串方式處理?？梢灾貙?xiě)itoa()函數，把輸入的數字按照任意進(jìn)制保存到字符串中。
1．4 SPI
SPI有三種寄存器：控制寄存器(SPI_CR)、狀態(tài)寄存器(SPI_SR)、數據寄存器(SPI_DR)。SPI接口包括4種信號：MOSI——從器件數據輸入，主器件數據輸出；MISO——從器件數據輸出，主器件數據輸入；SCLK——時(shí)鐘信號，由主器件產(chǎn)生；NSS——從器件選擇使能信號，由主器件控制，有的芯片廠(chǎng)家會(huì )標注為CS(Chip Select)。
由于無(wú)線(xiàn)模塊CC2520必須通過(guò)SPI接口才能和MCU通信，所以必須先實(shí)現SPI接口，才能控制CC2520接收和發(fā)送數據。SPI接口的處理方式和USART接口的處理方式很像，本文只實(shí)現了簡(jiǎn)單的SPI功能。SPI使用前必須初始化，主要工作包括設置主從模式、波特率、數據位數、數據幀格式、配置輸入／輸出引腳和時(shí)鐘信號的相位和極性等。
1．5 CC2520驅動(dòng)
MCU通過(guò)SPI接口控制CC2520啟動(dòng)、關(guān)閉、收發(fā)數據等。SPI接口由SI、SO、CSn和SCLK四個(gè)引腳構成。在MCU和CC2520通信過(guò)程中，CC2520為SPI接口從設備，接收MCU發(fā)來(lái)的時(shí)鐘信號和片選信號，并在MCU的控制下執行發(fā)送數據、接收數據等操作；STM32為接口主設備，可以通過(guò)SPI接口訪(fǎng)問(wèn)CC2520內部存儲區和寄存器。CC2520通過(guò)FIFO、FIFOP、SFD和CCA四個(gè)引腳來(lái)表示工作狀態(tài)。MCU可以通過(guò)讀取這些引腳的數據來(lái)獲得CC2520收發(fā)數據的狀態(tài)。SFD信號表示剛接收到或者剛發(fā)送完幀開(kāi)始信號；FIFO信號表示一個(gè)或者多個(gè)字節在接收緩沖區；FIFOP信號表示接收緩沖區中的字節數超出設置的門(mén)限或者接收到至少一幀完整的數據；CCA信號表示信道空閑。
CC2520大概工作流程：首先是準備工作。上層應用程序中使用halRfInit()函數完成CC2520的一些初始化工作，如復位CC2520，關(guān)閉電壓調整器，根據CC2520數據手冊需要延時(shí)1100μs。延時(shí)完成后，開(kāi)啟電壓調整器，再延時(shí)200μs，然后使能CC2520，完成后，申請SPI資源并初始化。開(kāi)啟振蕩器，然后通過(guò)SPI接口配置CC2520中一些寄存器的默認值，如TXPOWER、CCACTRL0、MAMCTRL0、MAMCTRL1等寄存器的值。然后對MCU和CC2520相連的引腳進(jìn)行初始配置，比如把RSTN、VREN和CSN配置為輸出模式，把FIFO、FIFOP、CCA和SFD配置為輸入模式。
上層應用程序中使用basicRfInit()函數完成對信道、短地址和網(wǎng)絡(luò )ID的設置，并配置接收中斷處理函數，用于接收到數據產(chǎn)生中斷時(shí)處理接收數據。
應用程序執行發(fā)送命令時(shí)，按照協(xié)議棧從上層一層層封裝好數據后，最終把數據交給basicRfSendPacket()函數處理。具體發(fā)送過(guò)程如圖2所示。

圖中封裝的格式按照協(xié)議要求，內容主要包括數據長(cháng)度、幀控制域(FCF)、目的地址、源地址、目的網(wǎng)絡(luò )ID、源網(wǎng)絡(luò )ID、發(fā)送數據、CRC(Cyclic Redundancy Check)校驗碼等。當采用的是硬件CRC檢驗時(shí)，不需要用戶(hù)計算添加CRC檢驗碼，也不需要CRC檢驗數據寫(xiě)入TXFIFO(CC2 520發(fā)送緩沖區)中，有專(zhuān)門(mén)的寄存器存儲CRC檢驗數據，由硬件完成檢驗和發(fā)送。當采用軟件CRC檢驗時(shí)，需要用戶(hù)自己計算CRC檢驗數據，并填寫(xiě)在幀的最后兩字節中，隨幀中其他數據一起寫(xiě)入TXFIFO。
封裝好后把數據寫(xiě)入TXFIFO中，注意CC2520發(fā)送緩沖區為128字節，不能超出這個(gè)范圍，否則會(huì )引發(fā)TXOVERFLOW異常。然后，打開(kāi)接收數據中斷后才能調用發(fā)送命令發(fā)送數據，在這里可以對發(fā)送過(guò)程進(jìn)行完全的控制，比如在發(fā)送數據的過(guò)程中，可以通過(guò)捕獲SFD引腳的上升沿信號來(lái)對發(fā)送準確計時(shí)。發(fā)送數據后等待接收方回復ACK，如果在規定時(shí)間內沒(méi)有收到ACK，則判定重傳次數是否超過(guò)最大重傳次數，沒(méi)有的話(huà)則按照一定策略退避一段時(shí)間后再重新發(fā)送這個(gè)數據包，如果超過(guò)最大重傳次數則丟棄這個(gè)包，并設置發(fā)送失敗標志供上層程序參考。如果在規定時(shí)間內收到ACK，則會(huì )觸發(fā)RX_FRMDONE中斷，會(huì )調用basicRfRxFrmDonelsr()接收數據中斷處理程序對收到的ACK包進(jìn)行分析，如果是對剛發(fā)送包的正確回復，則表示發(fā)送成功，更新相應信息，例如發(fā)送序列號加1，更新發(fā)送狀態(tài)，清除TX_FRM_DONE異常等。
接收過(guò)程和發(fā)送過(guò)程類(lèi)似，具體接收流程如圖3所示。

2 測試
2．1 測試方法
測試的每個(gè)節點(diǎn)都通過(guò)一根串口線(xiàn)連接到PC。在測試程序中添加測試代碼，把測試節點(diǎn)發(fā)送和接收的MAC(Media Access Contro1)層數據信息通過(guò)串口發(fā)送到PC上。然后通過(guò)PC上的串口調試助手顯示出來(lái)。對這些數據信息進(jìn)行分析便可以知道節點(diǎn)上各模塊程序的運行情況。
2．2 測試過(guò)程及結果
通過(guò)分析群首節點(diǎn)廣播數據幀到群中終端節點(diǎn)的過(guò)程來(lái)判斷底層模塊的運行情況。群首節點(diǎn)A和群中終端節點(diǎn)(B、C、D)都通過(guò)串口線(xiàn)連接到PC上。群網(wǎng)絡(luò )號為0x0001，節點(diǎn)A、B、C、D地址分別為：0x0001、0x0002、0x0003、0x0004。A通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送廣播數據到B、C、D，并把發(fā)送數據發(fā)送到PC顯示，最后把接收到的ACK回復幀也發(fā)送到PC顯示；B、C、D通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊接收到A發(fā)過(guò)來(lái)的數據，按自己節點(diǎn)地址大小進(jìn)行延時(shí)后對接收數據幀進(jìn)行回復，并把接收數據幀和回復ACK幀通過(guò)串口發(fā)送到PC顯示。

圖4為群首節點(diǎn)發(fā)送數據幀和接收ACK幀的過(guò)程。協(xié)議棧MAC層幀的封裝格式按照IEEE 802．15．4標準。從圖4可以看出：第一個(gè)框中為發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送數據幀，后面三個(gè)框中為接收到的終端節點(diǎn)回復的ACK幀。按照IEEE Std 802．15．4—2006標準中的幀封裝格式，發(fā)送窗口顯示的第一個(gè)字節為物理層數據長(cháng)度。后面緊跟的是FCF(Frame Control Field幀控制字段，占2字節)，對發(fā)送可信廣播數據幀為0x8801。參考標準手冊中FCF設置，可以看出對數據幀的設置如下：節點(diǎn)地址和網(wǎng)絡(luò )地址都采用16位；在幀中同時(shí)包括源網(wǎng)絡(luò )ID、源節點(diǎn)地址、目的網(wǎng)絡(luò )ID、目的節點(diǎn)地址；需要ACK幀確認；沒(méi)有采用安全設置。后面是DSN(1字節)，這是傳輸的第一個(gè)幀，所以設置為0x01。后面為目的網(wǎng)號0x0001(占2字節)。后面為目的節點(diǎn)地址0xFFFF(占2字節)，這是廣播地址，當CC2520發(fā)現目的節點(diǎn)地址為廣播地址時(shí)，便向所有節點(diǎn)傳輸廣播幀。后面為源網(wǎng)絡(luò )號0x0001(占2字節)。后面為源節點(diǎn)地址0x0001(占2字節)。因為這是同一個(gè)網(wǎng)段中的群首向終端節點(diǎn)發(fā)送廣播幀，所以目的網(wǎng)絡(luò )號和源網(wǎng)絡(luò )號相同。后面接著(zhù)的2字節為MAC層數據，為了測試簡(jiǎn)單，測試時(shí)只發(fā)送了2字節的數據(1和2，ASCALL碼為0x31和0x32)?？尚艔V播幀要求接收節點(diǎn)回復ACK幀，后面三個(gè)框中數據分別是節點(diǎn)B、C、D回復的ACK幀?；貜蛶母袷胶蛿祿脑O置情況類(lèi)似，區別是回復幀的FCF為0x8802，表示是回復幀且不需要確認，回復幀中沒(méi)有數據字段，且回復幀中的目的網(wǎng)絡(luò )號、目的地址為接收數據幀中的源網(wǎng)絡(luò )號、源地址。

圖5為接收節點(diǎn)B的接收數據幀。從圖中可以看出，第一個(gè)框中為接收到的可信廣播數據幀，第二框中數據為發(fā)送的ACK幀。接收窗口中前面的數據和發(fā)送窗口中數據一樣。不一樣的是最后的2字節(具體解釋請參考3．5節CC2520接收過(guò)程)。接收節點(diǎn)解析目的地址，發(fā)現是廣播地址，需要再檢查FCF字段中的Ack Request是否為1，如果為1，則需要回復ACK幀。為了避免群中節點(diǎn)收到可信廣播數據幀，同時(shí)回復ACK幀造成信道碰撞，回復ACK幀的時(shí)候按照自己節點(diǎn)地址大小延時(shí)發(fā)送。群中其他節點(diǎn)(C、D)的接收串口顯示數據和節點(diǎn)B的類(lèi)似，這里就不再詳細說(shuō)明。

結語(yǔ)
從測試的結果看，發(fā)送節點(diǎn)通過(guò)CC2520發(fā)送的數據能被接收，節點(diǎn)正確接收并通過(guò)串口發(fā)送到PC。這說(shuō)明論文介紹的各個(gè)模塊都能夠正確穩定地工作。通過(guò)這些底層模塊的協(xié)同工作，為上層操作系統和協(xié)議棧提供了通信的基礎服務(wù)。本論文只是簡(jiǎn)單地完成了各模塊的功能，還有很多可以改進(jìn)的地方，比如，可以在CC2520通信過(guò)程中加入精確的時(shí)序控制，為上層提供更好的服務(wù)。