暢 達(dá)，耿淑琴，侯立剛，吳武臣

（北京工業(yè)大學(xué) 集成電路與系統(tǒng)研究室，北京100124）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸得到認(rèn)同與應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包括基本的傳感單元、處理單元、通信單元和電源部分。符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議可以很好地支持網(wǎng)絡(luò)中的傳輸需要，將其與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，可以形成無線傳感網(wǎng)的基本單元[1]。

ARM嵌入式系統(tǒng)作為當(dāng)下最為流行的嵌入式系統(tǒng)，其在功耗、體積、可靠性與便攜性方面都有很強(qiáng)的競爭力，而CC2420作為TI推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4的射頻收發(fā)器，為無線網(wǎng)絡(luò)提供了良好的射頻傳輸保證。在操作系統(tǒng)方面，嵌入式Linux系統(tǒng)憑借其開源性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，成為眾多嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。所以，將ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)與CC2420芯片相結(jié)合作為網(wǎng)絡(luò)中對硬件要求較高的具有完整功能的全功能設(shè)備，完全可以開發(fā)出基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，它同時具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、高性能、高通用性與移植性等諸多優(yōu)勢。

1 ZigBee協(xié)議的特點(diǎn)分析

ZigBee（紫蜂）是 IEEE 802.15.4協(xié)議的兼容版本。IEEE 802.15.4協(xié)議是針對低速無線個人局域網(wǎng)設(shè)計的符合IEEE規(guī)范的官方標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4 GHz頻段，最多支持16個傳輸速率為250 kb/s的信道。ZigBee是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，支持星形、簇形和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有短距離、低功耗、自組織、低成本、低速率和低復(fù)雜度的特點(diǎn)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)共分為4層，從上到下分別為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、多媒體訪問控制層（MAC）和物理層。每一層為它的上一層提供數(shù)據(jù)與管理服務(wù)。其中，物理層和MAC層采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了定制。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)定了3個有效頻段，分別是868 MHz、915 MHz和2.4 GHz。其中，在中國常用的2.4 GHz頻段上采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而提高了設(shè)備的抗干擾性。MAC層為傳輸提供可靠的數(shù)據(jù)通信鏈路與安全機(jī)制。在MAC層，不同的幀類型采用相同的結(jié)構(gòu)，可以通過調(diào)用自定義的API函數(shù)構(gòu)造不同的幀。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是建立于管理網(wǎng)絡(luò)，提供路由機(jī)制等。在應(yīng)用層中，每個節(jié)點(diǎn)具有16位的網(wǎng)絡(luò)地址和64位的IEEE地址，并且還有8位的應(yīng)用層入口地址對應(yīng)于應(yīng)用對象。

相對于 Wi-Fi、藍(lán)牙等其他無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)憑借其功耗和成本上的優(yōu)勢，越來越廣泛地用于低速率、小范圍的網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)硬件原理

圖1所示是系統(tǒng)硬件平臺的架構(gòu)示意圖。S3C2440A是三星公司推出的以ARM920T為核心的32位高性能嵌入式處理器。它憑借高性能、低價格、低功耗等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，并且可以穩(wěn)定運(yùn)行于Linux和Windows CE等諸多嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)置兩組SPI總線，每組SPI擁有兩個8位移位寄存器用于數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。任意選取其中一組與CC2420連接即可完成微控制器與CC2420的數(shù)據(jù)傳輸[2]。

CC2420作為TI推出的首款符合ZigBee協(xié)議的射頻芯片，可以與任何符合IEEE 802.15.4協(xié)議的設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)。CC2420通過 SPI接口（SCLK、CSn、SO和 SI）配置為從機(jī)。SPI上所有的地址和數(shù)據(jù)都是高位優(yōu)先發(fā)送。片選信號低有效，即當(dāng)CSn變低時，意味著CC2420的新通信周期開始。

CC2420共有50個寄存器，分別為33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器和2個用來訪問獨(dú)立發(fā)送和接收FIFO的8位寄存器。每個寄存器都被編址為一個6 bit地址，與第7位的RAM/Register選擇位和第 6 bit的讀寫選擇位一起構(gòu)成一個8 bit地址。在每個寄存器讀寫周期中，共有24 bit數(shù)據(jù)被發(fā)送到SI上，包括8 bit地址和16 bit數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，SO線上將返回8 bit狀態(tài)用于調(diào)試。命令選通脈沖可以看作是CC2420的單字節(jié)指令，通過編址一個命令選通寄存器可以啟動內(nèi)部序列。這些命令可以用于使能晶振、使能接收、啟動解碼等。晶振必須被首先啟動并且穩(wěn)定后才可以接收其他命令。命令選通與寄存器讀寫相似，只是沒有數(shù)據(jù)傳輸，在CSn有效的前提下，命令選通后可以繼續(xù)其他SPI操作。

通過寄存器TXFIFO與RXFIFO可以存取發(fā)送FIFO和接收FIFO，且一次操作可以讀取多個FIFO字節(jié)。SFLUSHTX命令可以激活TXFIFO，SFLUSHRX可以激活RXFIFO。

CC2420通過 CCA、SDF、FIFO和 FIFOP 4條信號將工作狀態(tài)反饋給微控制器。CCA信號用于清除通道，在接收狀態(tài)下，如果經(jīng)過8個符號周期后，信道內(nèi)仍然沒有數(shù)據(jù)，則CCA信號激活；否則處于非激活狀態(tài)。SDF信號用于提供時序信息。在發(fā)送過程中，當(dāng)幀的起始分隔符被傳送后，SDF信號會被激活；當(dāng)整個數(shù)據(jù)包完成傳送后，SDF信號立刻處于非激活狀態(tài)。在接收過程中，當(dāng)檢測到有效的幀起始分隔符后，SDF信號激活；整個數(shù)據(jù)包接收完成后，該信號處于非激活狀態(tài)。FIFO信號用于檢測RXFIFO中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)RXFIFO中存在至少一個數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO信號處于激活狀態(tài)，直到RXFIFO為空。當(dāng)RXFIFO中存入的數(shù)據(jù)超過了可寫入的閾值時，F(xiàn)IFOP信號會被激活，另外一種情況是，當(dāng)一個完整的數(shù)據(jù)包被接收到后，該信號會被激活，而有一個數(shù)據(jù)包從FIFO中讀出后，該信號將立刻處于非激活狀態(tài)。如果地址識別被允許，F(xiàn)IFOP信號會一直保持在非激活狀態(tài)直到被傳入的幀通過了地址識別，否則，即使RXFIFO中的數(shù)據(jù)超越了閾值，F(xiàn)IFOP信號仍然不會被激活[3]。

3 底層通信機(jī)制的驅(qū)動設(shè)計

在Linux系統(tǒng)中，上層應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間，不能直接訪問硬件，只有通過系統(tǒng)調(diào)用將其調(diào)用到內(nèi)核空間，通過設(shè)備驅(qū)動程序才能把應(yīng)用程序的需求傳遞給硬件。如圖2所示。CC2420憑借SPI接口與微處理器進(jìn)行通信，雖然某些2.6內(nèi)核版本的Linux給出了SPI驅(qū)動程序，但是其針對性并不強(qiáng)，所以，為CC2420設(shè)計更為合適的SPI驅(qū)動更加有益于底層的通信，也更加利于開發(fā)和測試工作的進(jìn)行[4，5]。

SPI驅(qū)動的設(shè)計主要包含讀寫兩個操作。其中寫操作用于將上層空間的數(shù)據(jù)發(fā)送給內(nèi)核中的緩沖區(qū)，并控制主 SPI將數(shù)據(jù)發(fā)送給CC2420；讀操作將讀取 SPI接收到的內(nèi)容，并將其發(fā)送到上層空間。每當(dāng)SPI完成一次數(shù)據(jù)傳輸，都會向系統(tǒng)發(fā)起一次中斷，中斷由中斷線進(jìn)入并且中斷CPU，從而通知內(nèi)核，以調(diào)用相關(guān)的中斷處理例程。

驅(qū)動程序內(nèi)部采用環(huán)形緩沖區(qū)作為數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖結(jié)構(gòu)，如圖3所示。中斷機(jī)制采用上半部與下半部的處理方式，上半部只負(fù)責(zé)響應(yīng)中斷，而繁瑣的數(shù)據(jù)處理交由下半部完成，這樣可以大大提高代碼效率。驅(qū)動程序的下半部采用tasklet機(jī)制，tasklet是一種較為特殊的軟中斷，工作在中斷上下文，并且有嚴(yán)格的順序執(zhí)行保障。另外，設(shè)計中采用了自旋鎖機(jī)制，從而有效地防止了臨界區(qū)的多重訪問問題，提高了驅(qū)動程序的安全性。與此同時，休眠機(jī)制的成功引入避免了由于緩沖區(qū)覆蓋所造成的數(shù)據(jù)丟失。

對于寫操作，首先將所需發(fā)送的數(shù)據(jù)從上層空間拷貝到內(nèi)核中的發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后獲取禁止軟中斷但允許硬中斷的自旋鎖，進(jìn)而調(diào)用寫操作函數(shù)write將數(shù)據(jù)串行拷貝至相應(yīng)的發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)中，最后將數(shù)據(jù)依次寫入發(fā)送寄存器中，釋放自旋鎖，數(shù)據(jù)由硬件發(fā)送出去。圖4所示為寫操作基本流程圖。但是，如果發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)不為空，程序處于發(fā)送過程中，并且不需要寫臨界區(qū)時，寫進(jìn)程就會被設(shè)計成休眠模式，休眠的進(jìn)程將在下半部tasklet中被喚醒。在tasklet中，發(fā)送環(huán)形緩沖區(qū)的尾指針會不斷自增，以表示數(shù)據(jù)正在被不斷發(fā)送出去，直到緩沖區(qū)為空后，tasklet會喚醒之前睡眠的進(jìn)程。

對于讀操作，其流程大致與寫操作類似，如圖5所示。一旦SPI接收寄存器收到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會產(chǎn)生中斷，從而進(jìn)入中斷處理例程。tasklet將接收寄存器中的數(shù)據(jù)串行發(fā)送到接收環(huán)形緩沖區(qū)，緩沖區(qū)頭指針自增，并喚醒進(jìn)程。然后進(jìn)程獲得自旋鎖，在判斷所需讀取的數(shù)據(jù)長度不超過緩沖區(qū)的最大長度后，將接收環(huán)形緩沖區(qū)的尾指針數(shù)據(jù)拷貝至內(nèi)核的接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后尾指針自增。最后將數(shù)據(jù)拷貝至上層空間。

圖6所示為測試結(jié)果波形圖。從測試結(jié)果來看，在8個時鐘周期內(nèi)可以準(zhǔn)確地發(fā)送8位二進(jìn)制數(shù)0110_0110。完成底層通信機(jī)制SPI的驅(qū)動以后，只需要將CC2420注冊設(shè)備、完成地址映射，再按照前面所述器件的工作原理發(fā)送相關(guān)命令與檢測信號，就可以完成此系統(tǒng)的基本應(yīng)用功能，從而擁有了作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中重要節(jié)點(diǎn)的通信保證。另外，ARM嵌入式系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的功能，在數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)接入方面有很好的性能支持，可以作為全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)的良好選擇。

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2007.

[2]SAMSUNG.S3C2440A user’s manual reltminary[EB/OL].Revision0.14，2004.

[3]TI.CC2420_datasheet[EB/OL].(2004-06-09).Revision1.2，2007.

[4]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]CORBET J，RUBINI A，GREG K H.Linux device drivers[M].Sebastopol：O’Reilly Media 2005：274-278.