目前，對WSN（Wireless Sensor Network）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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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CortexM3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。

　　圖1 STM32中有關定時器的時鐘樹

　　從圖1可以看出，從系統(tǒng)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APB1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：

　?、?系統(tǒng)初始化：如系統(tǒng)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。

　?、?GPIO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。

　?、?EXTI配置：首先指明當前系統(tǒng)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)）。

　?、?NVIC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1100 μs。延時完成后，開啟電壓調整器，再延時200 μs，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2 CC2520發(fā)送數據流程圖

　　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（CC2520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。

　　封裝好后把數據寫入TXFIFO中，注意CC2520發(fā)送緩沖區(qū)為128 字節(jié)，不能超出這個范圍，否則會引發(fā)TX_OVERFLOW異常。然后，打開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)送過程進行完全的控制，比如在發(fā)送數據的過程中，可以通過捕獲SFD引腳的上升沿信號來對發(fā)送準確計時。發(fā)送數據后等待接收方回復ACK，如果在規(guī)定時間內沒有收到ACK，則判定重傳次數是否超過最大重傳次數，沒有的話則按照一定策略退避一段時間后再重新發(fā)送這個數據包，如果超過最大重傳次數則丟棄這個包，并設置發(fā)送失敗標志供上層程序參考。如果在規(guī)定時間內收到ACK，則會觸發(fā)RX_FRM_DONE中斷，會調用basicRfRxFrmDoneIsr（）接收數據中斷處理程序對收到的ACK包進行分析，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。

　　接收過程和發(fā)送過程類似，具體接收流程如圖3所示。

　　圖3 CC2520接收數據流程圖

　　2 測試

　　2.1 測試方法

　　測試的每個節(jié)點都通過一根串口線連接到PC。在測試程序中添加測試代碼，把測試節(jié)點發(fā)送和接收的MAC（Media Access Control）層數據信息通過串口發(fā)送到PC上。然后通過PC上的串口調試助手顯示出來。對這些數據信息進行分析便可以知道節(jié)點上各模塊程序的運行情況。

　　2.2 測試過程及結果

　　通過分析群首節(jié)點廣播數據幀到群中終端節(jié)點的過程來判斷底層模塊的運行情況。群首節(jié)點A和群中終端節(jié)點（B、C、D）都通過串口線連接到PC上。群網絡號為0x0001，節(jié)點A、B、C、D地址分別為：0x0001、0x0002、0x0003、0x0004。A通過無線模塊發(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通過無線模塊接收到A發(fā)過來的數據，按自己節(jié)點地址大小進行延時后對接收數據幀進行回復，并把接收數據幀和回復 ACK幀通過串口發(fā)送到PC顯示。

　　圖4為群首節(jié)點發(fā)送數據幀和接收ACK幀的過程。協議棧MAC層幀的封裝格式按照IEEE 802.15.4標準。從圖4可以看出：第一個框中為發(fā)送節(jié)點發(fā)送數據幀，后面三個框中為接收到的終端節(jié)點回復的ACK幀。按照IEEE Std 802.15.42006標準中的幀封裝格式，發(fā)送窗口顯示的第一個字節(jié)為物理層數據長度。后面緊跟的是FCF（Frame Control Field幀控制字段，占2字節(jié)），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(jié)點地址和網絡地址都采用16位；在幀中同時包括源網絡ID、源節(jié)點地址、目的網絡ID、目的節(jié)點地址；需要ACK幀確認；沒有采用安全設置。后面是DSN（1字節(jié)），這是傳輸的第一個幀，所以設置為0x01。后面為目的網號0x0001（占2字節(jié)）。后面為目的節(jié)點地址0xFFFF（占2字節(jié)），這是廣播地址，當 CC2520發(fā)現目的節(jié)點地址為廣播地址時，便向所有節(jié)點傳輸廣播幀。后面為源網絡號0x0001（占2字節(jié)）。后面為源節(jié)點地址0x0001（占2字節(jié)）。因為這是同一個網段中的群首向終端節(jié)點發(fā)送廣播幀，所以目的網絡號和源網絡號相同。后面接著的2字節(jié)為MAC層數據，為了測試簡單，測試時只發(fā)送了 2字節(jié)的數據（1和2，ASCALL碼為0x31和0x32）?？尚艔V播幀要求接收節(jié)點回復ACK幀，后面三個框中數據分別是節(jié)點B、C、D回復的ACK 幀?；貜蛶母袷胶蛿祿脑O置情況類似，區(qū)別是回復幀的FCF為0x8802，表示是回復幀且不需要確認，回復幀中沒有數據字段，且回復幀中的目的網絡號、目的地址為接收數據幀中的源網絡號、源地址。

　　圖4 群首廣播發(fā)送節(jié)點串口顯示圖

　　圖 5為接收節(jié)點B的接收數據幀。從圖中可以看出，第一個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(jié)（具體解釋請參考3.5節(jié) CC2520接收過程）。接收節(jié)點解析目的地址，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(jié)點收到可信廣播數據幀，同時回復ACK幀造成信道碰撞，回復ACK幀的時候按照自己節(jié)點地址大小延時發(fā)送。群中其他節(jié)點（C、D）的接收串口顯示數據和節(jié)點B的類似，這里就不再詳細說明。

　　圖5 可信廣播接收節(jié)點B串口顯示圖

　　結語

　　從測試的結果看，發(fā)送節(jié)點通過CC2520發(fā)送的數據能被接收，節(jié)點正確接收并通過串口發(fā)送到PC。這說明論文介紹的各個模塊都能夠正確穩(wěn)定地工作。通過這些底層模塊的協同工作，為上層操作系統(tǒng)和協議棧提供了通信的基礎服務。本論文只是簡單地完成了各模塊的功能，還有很多可以改進的地方，比如，可以在 CC2520通信過程中加入精確的時序控制，為上層提供更好的服務。