無線傳感器網絡底層平臺的深層研究

引言
目前，對WSN(Wireless Sensor Netwoek)的研究主要集中在協議棧、定位算法、能耗管理以及體系結構設計上，而針對無線傳感網絡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，所以針對無線傳感網絡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無線模塊進行介紹。主要描述了操作系統底層平臺的構建，以及硬件驅動程序的實現。本論文的底層硬件抽象層是針對CC2520無線射頻模塊的，包括了平臺構建、相關寄存器，以及外圍接口等各個部分。而硬件驅動程序主要是為完成無線通信所需的硬件驅動設計，這主要包括：相應異步事件的中斷機制；和PC通信的USART驅動；連接MCU和CC2520的SPI驅動；完成超時計時的定時器等。這些模塊的有效組成，才能構成一個完整的無線傳感器網絡最小通信系統，完成節(jié)點間數據傳輸、數據處理，以及定位和導航等任務。
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(jié)只簡單介紹和無線傳感器網絡相關的底層模塊設計。
1．1 定時器
STM32系列的CPU能提供8個定時器，其中TIM1和TIM8是高級定時器，可用于各種用途，包括測量輸入信號的脈沖長度(輸入捕捉)或產生輸出波形(輸出比較)等，它們的時鐘由APB2提供。TIM2～TIM7是普通定時器，時鐘由APB1提拱。圖1為STM32時鐘樹中有關定時器的部分。

從圖1可以看出，從系統設置的時鐘源產生的時鐘頻率輸入到AHB預分頻器，進行分頻處理，然后經過APB1預分頻器和APB2預分頻器給不同模塊提供不同的時鐘頻率。下面以定時器2作為例子說明。當AHB預分頻器輸入頻率為72 MHz的時候，由于APB1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APB1倍頻器中，頻率被設置為72 MHz(當APB1分頻數=1的時候，APB1倍頻器加倍系數為1，當APBl分頻數>1的時候，APB1倍頻器加倍系數為2)，所以最終提供給定時器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器。定時器采用計數溢出的方式觸發(fā)定時器中斷，因此想要使用定時器，必須先配置好定時器中斷。
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，務必注意打開相應引腳的GPIO時鐘和AFIO時鐘。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編寫中斷服務程序：中斷服務程序是發(fā)生中斷時實際運行的程序，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、數據接收器和時鐘發(fā)生器。所有模塊共享控制寄存器。時鐘發(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。使用寫入緩沖寄存器，可以連續(xù)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，同時支持數據溢出、幀錯誤和校驗錯誤的檢測。
無線節(jié)點可以通過USART與PC通信。本文只實現了簡單的USART功能。串口使用前需要完成初始化，主要設置字長、波特率、奇偶校驗位、傳輸模式、數據位數、流控制、打開串口時鐘和配置串口發(fā)送接收引腳等。
有了串口的輸入／輸出功能后，可以自己重寫庫函數printf，便于調試和觀察節(jié)點運行情況，讓節(jié)點終端輸出重定向到PC，然后在PC上通過串口工具顯示節(jié)點發(fā)送過來的數據信息，從而分析終端運行情況。具體函數設計是：如果節(jié)點輸出字符串數據，則直接調用串口輸出字符串函數，通過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制轉換成字符串，然后按照輸出字符串方式處理。可以重寫itoa()函數，把輸入的數字按照任意進制保存到字符串中。
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——時鐘信號，由主器件產生；NSS——從器件選擇使能信號，由主器件控制，有的芯片廠家會標注為CS(Chip Select)。
由于無線模塊CC2520必須通過SPI接口才能和MCU通信，所以必須先實現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，本文只實現了簡單的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／輸出引腳和時鐘信號的相位和極性等。
1．5 CC2520驅動
MCU通過SPI接口控制CC2520啟動、關閉、收發(fā)數據等。SPI接口由SI、SO、CSn和SCLK四個引腳構成。在MCU和CC2520通信過程中，CC2520為SPI接口從設備，接收MCU發(fā)來的時鐘信號和片選信號，并在MCU的控制下執(zhí)行發(fā)送數據、接收數據等操作；STM32為接口主設備，可以通過SPI接口訪問CC2520內部存儲區(qū)和寄存器。CC2520通過FIFO、FIFOP、SFD和CCA四個引腳來表示工作狀態(tài)。MCU可以通過讀取這些引腳的數據來獲得CC2520收發(fā)數據的狀態(tài)。SFD信號表示剛接收到或者剛發(fā)送完幀開始信號；FIFO信號表示一個或者多個字節(jié)在接收緩沖區(qū)；FIFOP信號表示接收緩沖區(qū)中的字節(jié)數超出設置的門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，關閉電壓調整器，根據CC2520數據手冊需要延時1100μs。延時完成后，開啟電壓調整器，再延時200μs，然后使能CC2520，完成后，申請SPI資源并初始化。開啟振蕩器，然后通過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、短地址和網絡ID的設置，并配置接收中斷處理函數，用于接收到數據產生中斷時處理接收數據。
應用程序執(zhí)行發(fā)送命令時，按照協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)送過程如圖2所示。

圖中封裝的格式按照協議要求，內容主要包括數據長度、幀控制域(FCF)、目的地址、源地址、目的網絡ID、源網絡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，不需要用戶計算添加CRC檢驗碼，也不需要CRC檢驗數據寫入TXFIFO(CC2 520發(fā)送緩沖區(qū))中，有專門的寄存器存儲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，需要用戶自己計算CRC檢驗數據，并填寫在幀的最后兩字節(jié)中，隨幀中其他數據一起寫入TXFIFO。