无线传感器网络底层平台的深层研究

无线传感器网络底层平台的深层研究

　　目前，对WSN(Wireless Sensor Network)的研究主要集中在协议栈、定位算法、能耗管理以及体系结构设计上，而针对无线传感网络操作系统的研究却相对较少，尤其是对其底层平台的研究更少，所以针对无线传感网络操作系统底层平台的研究有十分广阔的空间。本论文针对意法半导体STM32系列MCU和TI公司的CC2520无线模块进行介绍。主要描述了操作系统底层平台的构建，以及硬件驱动程序的实现。本论文的底层硬件抽象层是针对CC2520无线射频模块的，包括了平台构建、相关寄存器，以及外围接口等各个部分。而硬件驱动程序主要是为完成无线通信所需的硬件驱动设计，这主要包括：相应异步事件的中断机制;和PC通信的USART驱动;连接MCU和CC2520的SPI驱动;完成超时计时的定时器等。这些模块的有效组成，才能构成一个完整的无线传感器网络最小通信系统，完成节点间数据传输、数据处理，以及定位和导航等任务。

　　STM32系列MCU采用ARM公司V7架构的CortexM3内核。CC2520是第二代ZigBee/IEEE 802.15.4收发器。

　　1 底层平台研究

　　硬件抽象层的底层硬件模块有很多，本节只简单介绍和无线传感器网络相关的底层模块设计。

　　1.1 定时器

　　STM32系列的 CPU能提供8个定时器，其中TIM1和TIM8是高级定时器，可用于各种用途，包括测量输入信号的脉冲长度(输入捕捉)或产生输出波形(输出比较)等，它们的时钟由 APB2提供。TIM2~TIM7是普通定时器，时钟由 APB1提拱。图1为STM32时钟树中有关定时器的部分。

图1 STM32中有关定时器的时钟树

　　从图1可以看出,从系统设置的时钟源产生的时钟频率输入到AHB预分频器，进行分频处理，然后经过APB1预分频器和APB2预分频器给不同模块提供不同的时钟频率。下面以定时器2作为例子说明。当AHB预分频器输入频率为72 MHz的时候，由于APB1支持的最大频率为36 MHz，所以APB1预分频器,设置必须大于或等于2，假设设置为2，则在APB1倍频器中，频率被设置为72 MHz(当APB1分频数=1的时候，APB1倍频器加倍系数为1，当APB1分频数>1的时候，APB1倍频器加倍系数为2)，所以最终提供给定时器2～7的频率为72 MHz。所以只需要设置APB1预分频器和APB1倍频器的值，便可以提供不同频率的定时器。定时器采用计数溢出的方式触发定时器中断，因此想要使用定时器，必须先配置好定时器中断。

　　1.2 中断

　　对STM32系列MCU的中断配置步骤如下：

　　① 系统初始化：如系统时钟初始化，使用固件模板中自带的SystemInit()函数即可，此函数把主频默认调整到72 MHz。

　　② GPIO配置：配置触发CPU中断的引脚，务必注意打开相应引脚的GPIO时钟和AFIO时钟。配置引脚的频率和输入模式，一般为浮空输入模式。

　　③ EXTI配置：首先指明当前系统中使用哪个引脚作为触发外部中断的引脚，然后清除中断标志位,配置中断请求和触发方式(上升沿触发或下降沿触发)。

　　④ NVIC配置：主要配置中断对应的通道，并且设置优先级别，最后需要对通道使能。

　　⑤ 编写中断服务程序：中断服务程序是发生中断时实际运行的程序，它打断了正在运行的程序，对相应中断事件进行相应处理。由于中断程序打断了现有程序的运行，而且需要对中断事件作出快速响应，所以要尽量短小，而且不能传递参数，没有返回值。

　　1.3 USART

　　USART模块一般分为三大部分：数据发送器、数据接收器和时钟发生器。所有模块共享控制寄存器。时钟发生器由波特率发生器和同步逻辑电路组成。

　　数据发送器部分由写入缓冲寄存器(USART_DR)、校验位发生器、串行移位寄存器和控制逻辑电路构成。使用写入缓冲寄存器，可以连续快速地发送多帧数据。

　　数据接收器是USART模块最复杂的部分，最主要的是数据接收单元和时钟。数据接收单元用作异步数据的接收。数据接收器还包括移位寄存器、控制逻辑、校验位校验器和接收缓冲器。数据接收器支持与数据发送器相同的帧结构，同时支持数据溢出、帧错误和校验错误的检测。

　　无线节点可以通过USART与PC通信。本文只实现了简单的USART功能。串口使用前需要完成初始化，主要设置字长、波特率、奇偶校验位、传输模式、数据位数、流控制、打开串口时钟和配置串口发送接收引脚等。

　　有了串口的输入/输出功能后，可以自己重写库函数printf，便于调试和观察节点运行情况，让节点终端输出重定向到PC，然后在PC上通过串口工具显示节点发送过来的数据信息，从而分析终端运行情况。具体函数设计是：如果节点输出字符串数据，则直接调用串口输出字符串函数，通过串口把字符串数据发送到PC显示;如果是输出数字，则先把数字按指定显示进制转换成字符串，然后按照输出字符串方式处理。可以重写itoa()函数，把输入的数字按照任意进制保存到字符串中。

　　1.4 SPI

　　SPI有三种寄存器：控制寄存器(SPI_CR)、状态寄存器(SPI_SR)、数据寄存器(SPI _DR)。SPI接口包括4种信号：MOSI ——从器件数据输入，主器件数据输出;MISO ——从器件数据输出，主器件数据输入;SCLK——时钟信号，由主器件产生;NSS——从器件选择使能信号，由主器件控制，有的芯片厂家会标注为CS(Chip Select)。

　　由于无线模块CC2520必须通过SPI接口才能和MCU通信，所以必须先实现SPI接口，才能控制CC2520接收和发送数据。SPI接口的处理方式和USART接口的处理方式很像，本文只实现了简单的SPI功能。SPI使用前必须初始化，主要工作包括设置主从模式、波特率、数据位数、数据帧格式、配置输入/输出引脚和时钟信号的相位和极性等。