摘  要： 分析了ZigBee的特點，指出了以ARM-Linux嵌入式系統(tǒng)與CC2420組合作為ZigBee網(wǎng)絡中的全功能節(jié)點的特有優(yōu)勢。闡述了芯片工作原理與硬件系統(tǒng)組成方式，并且給出了CC2420與ARM底層通信機制SPI驅動設計的方法，使得CC2420與系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換得到保證，同時也是上層應用的基礎。
關鍵詞： ZigBee；CC2420；ARM-Linux；SPI驅動

    隨著信息技術的不斷發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡逐漸得到認同與應用。無線傳感網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(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標準的ZigBee協(xié)議可以很好地支持網(wǎng)絡中的傳輸需要，將其與嵌入式系統(tǒng)相結合，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，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芯片相結合作為網(wǎng)絡中對硬件要求較高的具有完整功能的全功能設備，完全可以開發(fā)出基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡，它同時具有低成本、低功耗、低復雜度、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)設計的符合IEEE規(guī)范的官方標準，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，支持星形、簇形和網(wǎng)狀三種拓撲結構，具有短距離、低功耗、自組織、低成本、低速率和低復雜度的特點。ZigBee的網(wǎng)絡標準共分為4層，從上到下分別為應用層、網(wǎng)絡層、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。其中，物理層和MAC層采用了IEEE 802.15.4標準，應用層和網(wǎng)絡層則在此基礎上進行了定制。
    ZigBee標準的物理層規(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頻技術進行數(shù)據(jù)通信，從而提高了設備的抗干擾性。MAC層為傳輸提供可靠的數(shù)據(jù)通信鏈路與安全機制。在MAC層，不同的幀類型采用相同的結構，可以通過調用自定義的API函數(shù)構造不同的幀。網(wǎng)絡層的主要功能是建立于管理網(wǎng)絡，提供路由機制等。在應用層中，每個節(jié)點具有16位的網(wǎng)絡地址和64位的IEEE地址，并且還有8位的應用層入口地址對應于應用對象。
    相對于Wi-Fi、藍牙等其他無線通信技術，ZigBee技術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。
2 系統(tǒng)硬件原理
    圖1所示是系統(tǒng)硬件平臺的架構示意圖。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)勢廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中，并且可以穩(wěn)定運行于Linux和Windows CE等諸多嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2440A內置兩組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)議的設備實現(xiàn)無線互聯(lián)。CC2420通過SPI接口（SCLK、CSn、SO和SI）配置為從機。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，當幀的起始分隔符被傳送后，SDF信號會被激活；當整個數(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 底層通信機制的驅動設計
    在Linux系統(tǒng)中，上層應用程序運行在用戶空間，不能直接訪問硬件，只有通過系統(tǒng)調用將其調用到內核空間，通過設備驅動程序才能把應用程序的需求傳遞給硬件。如圖2所示。CC2420憑借SPI接口與微處理器進行通信，雖然某些2.6內核版本的Linux給出了SPI驅動程序，但是其針對性并不強，所以，為CC2420設計更為合適的SPI驅動更加有益于底層的通信，也更加利于開發(fā)和測試工作的進行[4，5]。

    SPI驅動的設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接收到的內容，并將其發(fā)送到上層空間。每當SPI完成一次數(shù)據(jù)傳輸，都會向系統(tǒng)發(fā)起一次中斷，中斷由中斷線進入并且中斷CPU，從而通知內核，以調用相關的中斷處理例程。
    驅動程序內部采用環(huán)形緩沖區(qū)作為數(shù)據(jù)收發(fā)的緩沖結構，如圖3所示。中斷機制采用上半部與下半部的處理方式，上半部只負責響應中斷，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。驅動程序的下半部采用tasklet機制，tasklet是一種較為特殊的軟中斷，工作在中斷上下文，并且有嚴格的順序執(zhí)行保障。另外，設計中采用了自旋鎖機制，從而有效地防止了臨界區(qū)的多重訪問問題，提高了驅動程序的安全性。與此同時，休眠機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核中的發(fā)送數(shù)據(jù)結構，然后獲取禁止軟中斷但允許硬中斷的自旋鎖，進而調用寫操作函數(shù)write將數(shù)據(jù)串行拷貝至相應的發(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，寫進程就會被設計成休眠模式，休眠的進程將在下半部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，并喚醒進程。然后進程獲得自旋鎖，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)拷貝至內核的接收數(shù)據(jù)結構，然后尾指針自增。最后將數(shù)據(jù)拷貝至上層空間。

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

參考文獻
[1] 蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，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)接口設計與Linux驅動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.
[5] CORBET J，RUBINI A，GREG K H.Linux device drivers[M].Sebastopol：O’Reilly Media 2005：274-278.