第三部分进阶篇-第1章 CC2530 BasicRF协议剖析

程序员文章站 2022-06-09 19:29:08

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1理论讲解

1.1 CC2530 BasicRF工程文件放置说明

当我们获取到CC2530BasicRF工程文件后，打开文件夹一看，比我们之前裸机实验的文件放置复杂得多，要找出light_switch.eww实属不易。下面就来探讨一下它的架构组成，图就是CC2530BasicRF工程文件的分布图。

图1 CC2530 BasicRF工程文件的分布图
按照图进行分析，我们来看看各个文件夹里究竟放了些什么东西。
 docs文件夹
打开文件夹一看，里面就是这样一个文档：
CC2530_Software_Example.pdf。
而这个文档就是CC2530BasicRF例程的说明书。
 ide文件夹
这个文件夹里面有3个子文件夹，具体如图所示。其中，
(1)setting文件夹里是IAR的相关设置，比如IAR的注释是什么颜色的等等；
(2)srf05_cc2530文件夹里面有CC2530没有加PA(CC2591)时的3个工程，分别是：
light_switch.eww、per_test.eww、spectrum_analyzer.eww。
(3)srf05_cc2530_91文件夹里面有CC2530加PA(CC2591)时的2个工程的hex文件，分
别是：light_switch.hex、per_test.hex。
(4)cc2530_sw_example.eww就是这3个工程(light_switch.eww、per_test.eww、spectrum_analyzer.eww)的总工程，也就是将它们包装在一起了。
第三部分进阶篇-第1章 CC2530 BasicRF协议剖析

图 2 ide文件夹
 Source文件夹
顾名思义，这个文件夹就是放置工程的源文件的。它里面有2个子文件夹，分别为：app和components，其中，
(1)app文件夹里是上面所说的3个工程的main函数所在的地方，另外，以后我们的外设底层驱动，基本上都是移植到app文件里面的，以后的实验会有详细的介绍。
(2)components文件夹是BasicRF的一些底层驱动文件，包括：BasicRF协议、hal层驱动文件、加密文件、系统驱动文件等等。

1.2 CC2530 BasicRF工程软件架构

当我们知道文件的放置后，我们就来探讨这个工程软件的架构，它就是CC2530BasicRF工程软件架构，如图所示，下面分别介绍各层。

图3 CC2530BasicRF工程软件架构

 Applicationlayer
用户应用层，它为用户使用Basic RF层和HAL，所提供的接口。
 Basic RF
为双向无线传输提供一种简单的协议。
 Hardware Abstraction Layer(hal)
为无线和板载资源，比如：LCD,UART,buttons,timers等，提供访问接口。
 Hardware
其实，硬件已经不属于BasicRF工程软件的范畴了，它是我们使用BasicRF所需要的硬件平台而已，至于这个平台，已经做好，具体可以看原理图。
总结一下：往后实验的重点就在Application层，main函数就在这里。至于Basic RF层是实现无线通信的简单协议，而Hal层是一些硬件驱动，这两层我们下面会有讲解，但是读者如果没有兴趣研究的话，也没有关系，只需大致知道数据传输和函数的调用关系，在这三个层之间是怎么进行的，就可以了，重点还是Application层，至于这个层，我们以后的实验都会详细讲解的，当然下面我们也会作理论讲解。

1.3 Basic RF层介绍

Basic RF是双向无线传输提供一种简单的协议，它并不是协议栈。

1.3.1 BasicRF简介

Basic RF由TI公司提供，它包含了IEEE802.15.4标准的数据包的收发功能但并没有使用到协议栈，它仅仅是是让两个结点进行简单的通信，也就是说Basic RF仅仅是包含着IEEE802.15.4标准的一小部分而已。其主要特点有：
(1)不会自动加入协议、也不会自动扫描其他节点也没有组网指示灯（LED3）；
(2)没有协议栈里所说的协调器、路由器或者终端的区分，节点的地位都是相等的；
(3)没有自动重发的功能。BasicRFlayer为双向无线通信提供了一个简单的协议。
通过这个协议能够进行数据的发送和接收。BasicRF还提供了安全通信所使用的CCM-64身份验证和数据加密，它的安全性大家可以通过在工程文件里面定义SECURITY_CCM在Project->Option里面就可以选择。

图 4 Option for node“light_switch”

1.3.2 BasicRF工作原理

1.3.2.1启动

(1)板载外设、射频接口、系统时钟、中断等的初始化(halBoardInit();)；
(2)创建BasicRF数据结构体(basicRfCfg_t，具体见下图5)，并初始化其成员；若要加密的话，则更高的层(用户层)会分频一个16字节的**；
(3)BasicRF协议初始化(halRfInit();)；

1.3.2.2发送

(1)将刚才配置的Basic RF结构体进行初始化，并为下一步的数据发送创建一个负载缓冲区，这个缓冲区最大为103个字节；
(2)如果要发送数据，就调用basicRfSendPacket()，将数据发送出去。

1.3.2.3接收

(1)通过调用basic RfPacketIs Ready()函数，以查询的方式检测用户层是否接收到数据；
(2)用户层首先创建一个足够大的缓冲区用于接收用户数据，并创建2个字节的缓冲区来存放RSSI值，然后调用basic RfReceive()函数接收数据。

1.3.3 Basic RF API说明

1.3.3.1加密功能

Basic RF提供安全通信所使用的CCM-64身份验证和数据加密。若要使用加密功能，可以通过在工程文件里面定义SECURITY_CCM来实现，具体操作是：在Project->Option里面就可以选择，本次实验并不是什么高度机密，所以在SECURITY_CCM前面带X了。

1.3.3.2数据结构体

下面是BasicRF数据结构体，翻译成中文如图所示。

typedef struct{
uint16myAddr;//16-bitshortaddress(Thisnode’saddress)
uint16panId;//PANID(IDofthePersonalAreaNetworkthisnodeisoperatingon)
uint8channel;//RFChannel(mustbesetbetween11and26)

uint8ackRequest;//Settruetorequestacknowledgementfromdestination
#ifdefSECURITY_CCM
uint8*securityKey;//Pointertothesecuritykeybufferallocatedbythecaller
uint8*securityNonce;//Pointertothesecuritynoncebuffer.Thisisnotusedbythecaller
#endif
}basicRfCfg_t;

图 5 Basic RfCfg_t结构体

1.3.3.3函数

void basicRfInit(basicRfCfg_t*pRfConfig)
初始化Basic RF的数据结构体，设置通道、短地址和节点PANID，以及配置数据接收中断。不过在调用此函数前，必须先调用halBoardInit()来初始化板载外设和射频接口。
uint8 basicRfSendPacket(uint16 destAddr,uint8* pPayload,uint8 length)
将数据发送到目的地址的节点，发送成功返回successfully，否则返回FAILED。返回successfully意味着：目标确认了，而且收到目的地址的节点发回来的应答信号。
uint8 basicRfPacketIsReady(void)
用于判断用户层是否准备好接收数据，准备好了则返回TRUE。
int8 basicRfGetRssi(void)
返回最后收到的数据包的RSSI（接收信号强度）值。
uint8 basicRfReceive(uint8* pRxData,uint8 len,int16* pRssi)
由用户层调用，用于将basicRF层接收到的数据和RSSI值，存入预先分频好的缓冲区。
void basicRfReceiveOn(void)
由用户层调用，用于打开数据接收器，直到调用basicRfReceiveOff把接收器关掉为止，接收器会一直接收数据。
void basicRfReceiveOff(void)
在不需要接收数据的时候，调用这个函数可以将接收器关闭。
void basicRfSecurityInit(basicRfCfg_t*pConfig)
初始化节点和安全**

1.4 硬件抽象层(hal)介绍

1.4.1 Hal层简介

Hal层为无线和板载资源，比如：LCD,UART,buttons,timers等，提供访问接口。Hal层是介于软件跟硬件之间，是驱动硬件资源最直接的层，所以，有关系统时钟、中断、板载资源等等，都由hal层管理，具体请看图。

1.4.2 Hal层API说明

1.4.2.1包括的头文件

hal_rf.h
hal_rf_security.h

1.4.2.2函数

uint8 halRfInit(void)
用于给无线电上电、通过相关寄存器的设置来配置无线电、使能自动应答和配置无线电IO，它是在调用halBoardInit()后才可以调用此函数。
uint8 halRfSetPower(uint8power)
设置无线电发送电压
uint8 halRfTransmit(void)
传输帧
void halRfSetGain(uint8gainMode)
集增益模式，只在使用外部LNA/PA时使用。
uint8 halRfGetChipId(void)
获取无线电芯片的ID。
uint8 halRfGetChipVer(void)
获取无线电芯片的版本。
uint8 halRfGetRandomByte(void)
获取随机字节。
uint8 halRfGetRssiOffset(void)
获取无线电RSSI偏移值。
void halRfWriteTxBuf(uint8*data,uint8length)
将存储器里的数据写到无线电的发送缓冲区里。
void halRfReadRxBuf(uint8*data,uint8length)
将无线电的接收缓冲区里的数据读到存储器里。
void halRfWaitTransceiverReady(void)
等待发送器准备完毕。
void halRfReceiveOn(void)
关闭无线电接收器。
void halRfReceiveOff(void)
打开无线电接收器。
void halRfDisableRxInterrupt(void)
关接收中断。
void halRfEnableRxInterrupt(void)
使能接收中断。
void halRfRxInterruptConfig(ISR_FUNC_PTRpf)
配置接收中断，以及设置本函数在中断时被调用
void halRfSetChannel(uint8channel)
设置视频通道，通道必须在11~26之间。
void halRfSetShortAddr(uint16shortAddr)
写16位短地址到无线电。
void halRfSetPanId(uint16PanId)
写16位PANID到无线电

图 6 BasicRF硬件抽象层

1.5 用户层(Applicationlayer)

下面只会从理论上来讲解用户层，往后的实验会结合实际例子来讲解。我们以后的外设驱动，基本上都是放在用户层，不过也有例外，如LCD，我们就最好放在hal层，保持跟官方使用LCD的方法一致；而整个BasicRF工程的main函数就放在用户层，我们以后修改代码基本上都在用户层文件里进行，如light_switch工程，就在用户层文件夹里的light_switch.c里进行修改。下面我们就以light_switch.c为例子来讲解用户层。
下面是light_switch工程的light_switch.c中的main函数：

1   void main(void)
2   {
3   uint8 appMode=NONE;//不设置模块的模式
4
5   //创建BasicRF数据结构体(basicRfCfg_t)，并初始化其成员
6   basicRfConfig.panId=PAN_ID; //用户的PAN_ID
7   basicRfConfig.channel=RF_CHANNEL; //RF通道必须在-26之间
8   basicRfConfig.ackRequest=TRUE; //目标确认设置
9   
10  #ifdefSECURITY_CCM
11  basicRfConfig.securityKey=key;
12  //若要加密的话，则频一个16字节节的**；
13 
14  #endif
15
16  //Initaliseboardperipherals
17  halBoardInit();
18  //板载外设、射频接口、系统时钟、中断的初始化---byCavani
19  
20  halJoystickInit();
21
22  //Initalisehal_rf
23  if(halRfInit()==FAILED){//BasicRF协议初始化(halRfInit();)
24  HAL_ASSERT(FALSE);
25  }
26
27  //Indicate that device is powered
28  halLedSet(1);
29
30  //Print Logo and splash screen on LCD
31  utilPrintLogo("Light Switch");
32
33  //Wait for user to press S1 to enter menu
34  while(halButtonPushed()!=HAL_BUTTON_1);
35  halMcuWaitMs(350);
36  halLcdClear();
37
38  //Set application role
39  appMode=appSelectMode();
40  halLcdClear();
41
42  //Transmitter application
43  if(appMode==SWITCH){
44  //No return from here
45  appSwitch();
46  }
47  //Receiver application
48  else if(appMode==LIGHT){
49  //No return from here
50  appLight();
51  }
52  //Role is undefined .This code should not be reached
53  HAL_ASSERT(FALSE);
54  }

第6~14行：就是Basic RF工作原理里启动的第2步；
第17行：就是Basic RF工作原理里启动的第1步；
第23~25行：就是Basic RF工作原理里启动的第3步；
第45行：数据发送函数，就是Basic RF工作原理里发送的内容；
第50行：数据接收函数，就是Basic RF工作原理里接收的内容；
下面是light_switch工程的light_switch.c中的发送函数“appSwitch()函数”

1   static void appSwitch()
2   {
3   halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_1,"Switch");
4   halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_2,"JoystickPush");
5   halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_3,"SendCommand");
6   #ifdefASSY_EXP4618_CC2420
7   halLcdClearLine(1);
8   halLcdWriteSymbol(HAL_LCD_SYMBOL_TX,1);
9   #endif
10
11  pTxData[0]=LIGHT_TOGGLE_CMD;
12
13  //Initialize BasicRF
14  basicRfConfig.myAddr=SWITCH_ADDR;
15  if(basicRfInit(&basicRfConfig)==FAILED){
16  //将刚才配置的Basic RF结构体进行初始化，并为下一步的数据发送创建一个负载
17  缓冲区，这个缓冲区最大为103个字节；
18 
19  HAL_ASSERT(FALSE);
20}
21
22  //Keep Receiver off when not needed to save power
23  basicRfReceiveOff();
24
25  //Main loop
26  while(TRUE){
27  if(halJoystickPushed()){
28
29  basicRfSendPacket(LIGHT_ADDR,pTxData,APP_PAYLOAD_LENGTH);
30  //如果要发送数据，就调用basicR
31  fSendPacket()，将数据发送出去。
32
33
34  //PutMCUtosleep.Itwillwakeuponjoystickinterrupt
35  halIntOff();
36  halMcuSetLowPowerMode(HAL_MCU_LPM_3);//Willturnon global
37  
38  //interruptenable
39  halIntOn();
40
41  }
42  }
43  }

第14~20行：就是BasicRF工作原理里发送的第1步；
第29~30行：就是BasicRF工作原理里发送的第2步；

下面是light_switch工程的light_switch.c中的接收函数“appLight()函数”：

1   static void appLight()
2   {
3   halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_1,"Light");
4   halLcdWriteLine(HAL_LCD_LINE_2,"Ready");
5
6   #ifdefASSY_EXP4618_CC2420
7   halLcdClearLine(1);
8   halLcdWriteSymbol(HAL_LCD_SYMBOL_RX,1);
9   #endif
10
11  //InitializeBasicRF
12  basicRfConfig.myAddr=LIGHT_ADDR;
13  if(basicRfInit(&basicRfConfig)==FAILED){
14  HAL_ASSERT(FALSE);
15  }
16  basicRfReceiveOn();
17
18  //Mainloop
19  while(TRUE){
20  while(!basicRfPacketIsReady());
21  //通过调用basicRfPacketIsReady()函数，以查询的方式检测用户层是否接收数据；
22  
23  
24
25  if(basicRfReceive(pRxData,APP_PAYLOAD_LENGTH,NULL)>0){
26  //用户层首先创建一个足够大的缓冲区用于接收用户数据，并创建2个字节的缓冲
27  区来存放R28SSI值，然后调用basicRfReceive()函数接收数据。
29  
30  if(pRxData[0]==LIGHT_TOGGLE_CMD){
31  halLedToggle(1);
32  }
33  }
34  }
35  }

第20行：就是Basic RF工作原理里接收的第1步；
第25行：就是Basic RF工作原理里接收的第2步；
其实，上面只是简单地讲解没有修改过的light_switch工程的light_switch.c，读者关键是要从中读懂BasicRF的工作原理。好啦，上面分别讲解用户层、BasicRF层、hal层，下面我们就来个总结，讲解数据传输和函数的调用关系，在这3个层之间是怎么进行的。

1.6 Basic RF操作总结

1.6.1初始化

下图描述了在初始化时，各层的函数的调用关系:
(1)首先，用户层调用halBoardInit()函数，初始化hal层的硬件外设和配置IO端口；
(2)然后，用户层初始化basicRfCfg_t结构体成员；
(3)接着，用户层调用basicRfInit()函数，而basicRfInit()函数就会调用halRFInit()函数，将刚才的basicRfCfg_t结构体写到BasicRF层，并使能中断；
(4)另外，halRFInit()函数也会同时将通道、短地址、个域网ID写到CC2530。

图7 BasicRF初始化过程

1.6.2数据发送

下图描述了在发送数据时，各层的函数的调用关系和数据传输之间的关系:
(1)首先，用户层调用basicRfSend()函数，将目的地址、数据缓冲区指针、数据缓冲区长度发给BasicRF层；
(2)然后，BasicRF层调用halRfWaitTransceiverReady()函数，检查SFD是否准备好；
(3)接着，BasicRF层调用basicRfBuildMpdu()函数，在BasicRF层建立一个缓冲区存放即将要发送出去的数据。
(4)接着，BasicRF层调用halRfWriteTxBuf()函数，将停留在BasicRF层缓冲区的数据传输到hal层的CC2530发送FIFO缓冲区里。
(5)接着，BasicRF层调用halRfTransmit()函数，通知hal层调用ISTXON()将数据发送出去。
(6)接着，halRfTransmit()函数会等待数据发送完毕，并从hal层获取发送结果Status给BasicRF层。
(7)接着，BasicRF层将等待由basicRfSend()函数返回的应答数据包；
(8)最后，如果BasicRF层从basicRfSend()函数里收到应答数据包，就往用户层发送SUCCESS，说明数据发送成功。

图8 BasicRF数据发送过程

1.6.3数据接收

下图描述了在接收数据时，各层的函数的调用关系和数据传输之间的关系:

图9 BasicRF数据接收过程
(1)首先，当hal层接收完一个数据包之后，就会自动申请中断，这时中断服务函basicRfRxFrmDoneIsr()(在BasicRF层里)就会停止BasicRF层去读取hal层接收到的数据；
(2)然后，BasicRF层就会调用halRfReadRxBuf(length,1)函数，从CC2530接收缓冲区里的第一个字节：接收帧；
(3)接着，BasicRF层调用halRfRecvFrame(rxMpdu,length)函数，将hal层接收缓冲区里所有数据读取到BasicRF层；
(4)接着，CC25320会自动发送应答信号ACK给发送端(如果使能了自动应答的话)，同时，BasicRF层将会识别接收帧的地址，如果CRC正确则被接收。
(5)接着，BasicRF层就会对数据包的FCS和***进行检测，如果它们跟预期的rxiisReady标志一致的话，那么新的数据包就会被接收下来，并往用户层发送TRUE。
(6)接着，用户层将会通过basicRfPacketIsReady()函数，不断查询rxiisReady标志；
(7)接着，当basicRfPacketIsReady()返回TRUE，用户层就会调用basicRfReceive()函数，从BasicRF层获取新的数据和RSSI值；
(8)最后，basicRfReceive()函数，就会将数据和RSSI值存储到存储器内，并为这些数据提供一个名为pData的指针，方便用户使用。

附：相关名称解释

API-ApplicationProgrammingInterface
CBC-MAC-CipherBlockChainingMessageAuthenticationCode
CCM-CounterwithCBC-MAC(modeofoperation)
CCM*-ExtensionofCCM
FCS-FrameCheckSequence
HAL-HardwareAbstractionLayer
IO-Input/Output
MIC-MessageIntegrityCode
MPDU-MACProtocolDataUnit
PAN-PersonalAreaNetwork
PER-PacketErrorRate
RF-RadioFrequency
RSSI-ReceivedSignalStrengthIndicator
SFD-StartofFrameDelimiter

【注】本文分析的文件是TI的源文件–CC2530 BasicRF，有需要的请自行下载。

CC2530 BasicRF下载地址

GitHub下载地址