SimpliciTI学习手记——从零开始实现SimpliciTI无线通信

SimpliciTI学习手记——从零开始实现SimpliciTI无线通信　 2011-12-17 23:37

来自：http://www.eefocus.com/nightseas/blog/11-12/236340_1606e.html

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这段时间折腾了一下SimpliciTI，有些个人理解，和大家讨论一下，希望有这方面经验的人不吝赐教，一个人闷头搞确实听没意思的。同时也在考虑从现有的MSP430向更强的M3平台移植（比如Stellaris），有兴趣的朋友可以一起讨论一下呀。

 

一、搭建SimpliciTI环境

一个MCU和一个RF模块，这就是搭建SimpliciTI环境的硬件需求（TI的SoC也是在芯片内部集成了RF模块）。当然了，这个协议栈是有版权的，当你用作商业用途时需要向TI缴纳一定的费用，而用于学习时，TI也会要求你至少用他的RF芯片。

这里使用的是TI的eZ430-RF2500套件，板载MSP430F2274和CC2500射频芯片，使用芯片天线，传输距离并不远，如果离开一段距离或者有遮蔽物就会出现丢包，这个我们会在后面进行测试。电路图如下（点击看大图），2274和CC2500之间通过SPI和两个IO（中断方式）通信，一般网上卖的模块也会留出这些接口。如果对RF PCB设计没有信心，淘宝上有10块钱的CC2500模块，虽然是白菜价，但是PCB天线一般都是低于0dB的，通信距离可想而知。

 

TI官方的开发套件，$49

 

淘宝上可以找到的CC2500模块，￥10

 

原理图

 

同时，此平台也对外开放一个USB调试接口（包括UART和SBW）。

接口定义

 

二、SimpliciTI协议栈结构与移植

SimpliciTI协议的一大特点就是简单，所以在极大简化开发过程的同时也带了很多限制，比如缺少完备的路由协议，最多4个RE（使通信距离受限），即使低功耗也是在ED关闭RF接收功能的前提下实现的（限制双向通信）。不过即使如此，也丝毫不影响它为无线网络通信带来的便利，你可以根据应用需求在ZigBee和SimpliciTI之间取舍。

想要使用它你需要下载协议栈代码，下面是及针对RF2500套件的演示代码：

 

http://www.ti.com/lit/zip/slac139

 

通用协议栈SimpliciTI-IAR1.1.1可以在TI官网上下载：

http://www.ti.com.cn/tool/cn/simpliciti

安装后在安装目录下可以找到代码和说明文档，建议看一下Developers Notes、Sample Application User's Guide和API文档，如果需要涉及加密、调频等应用，这里还有相应的Application Note。

SimpliciTI本身的软件分为3层，即BSP、MRFI和NWK：

 

BSP是一个轻量级板级支持包，包含了MCU、SPI（这个必须有）、LED和Button，简单吧，TI的意思是尽可能的减少协议栈本身的硬件内容，因此如果想要用串口或者ADC，就要自行解决，我们暂且将这些额外添加的硬件控制代码称为Driver吧。

MRFI是最小射频接口，主要是与BSP中的SPI对接以及射频芯片的控制代码。如果要移植协议栈，就需要更改与MCU定义、中断、IO和SPI相关的代码，不过只要你使用MSP430或CC系列SoC作为MCU可以直接在代码中找到相近的Board从而减少工作量。当然啦，如果你是高手或者兼有求知和耐心的美德，甚至可以自己写底层而只保留NWK和APP层，不过这不是我们现在的目的，至少目前不是。

NWK网络层负责数据收发队列，同时包含很多网络层应用，注意区分NWK Applications与用户的应用代码（Customer Applications）的区别，这些网络层应用是以端口作为标识的（如Ping是0x01，Link是0x02），相应的函数以nwk_作为前缀，而我们通常将用户代码称作应用层。SimpliciTI的端口（Port）与TCP/IP的端口神似（similar in spirit ^_^），每个端口对应一种应用，用户也可以定义自己的网络层应用。网络层为用户提供了API函数，以SMPL_为前缀，如SMPL_Link等，我们的工作就是利用这些API实现组网及无线通信。

 

三、建立第一个简单双向通信程序

（1）配置工程

打开演示代码eZ430-RF2500 WirelessSensorMonitor中的Sensor_Demo_AP_as_Data_Hub工程，如果你使用的是eZ430-RF2500套件，直接修改其中的Application文件就好了，如果不是TI的官方套件，可以选择一个硬件组成相近的工程，修改MCU定义和按键、LED等配置，这里不再深究，以后可以专门开贴讨论。

 

【Tips】在下载程序时可能出现这个错误，具体描述为：

Fatal error: The Object file contains features not suported by the driver.   Session aborted!

Failed to load debugee: …

这是因为在新版本的IAR中同时使用了选项配置和命令行，Debugger的版本较旧不识别，只需要取消命令行即可。

 

打开工程后可以看到两种器件，AP（Access Point）和ED（End Device）。AP是组网的关键，负责网络的建立和维护，同时负责对外通信，有点类似于ZigBee中的协调器。网络中最多只能有一个AP，在某些模式下（如P2P）可以不需要AP，但是这样的网络需要固定参数而缺少灵活性。ED是终端设备，在TI的演示中负责入网后通过片上温度传感器采集自身的温度，并发送给AP，由AP将接收到的数据转换成字符串后通过串给上位机。

在左侧的WorkSpace栏选择AP或者ED进行选择编译。

 

和网络相关的设置可以在几个配置文件中修改，其中smpl_config_AP.dat和smpl_config_ED.dat文件定义了设备类型、最大连接数、发送和接收帧队列长度等内容，smpl_nwk_config.dat文件则定义了基本的网络参数如网络和应用层负载长度、最大跳数等，这些配置可以在不同的应用中灵活选择，这里我们采用默认配置。

 

（2）AP节点

首先，通过BSP_Init函数初始化BSP，然后初始化需要的外围设备如串口、定时器、AD等，这里的串口函数并不包含在SimpliciTI中，而是以virtual_com_cmds.c文件的形式添加到工程中，也可以像我那样写自己的串口函数（参见我的SED430-RF2500一贴），甚至加入printf和scanf。

SED430-RF2500传送门：http://www.eefocus.com/nightseas/blog/11-12/236080_f6d24.html

在设备初始化完成后，需要初始化SimpliciTI网络，AP中对应的函数为：

SMPL_Init(sCB);

这里的sCB是一个回调函数，本例中用来在接收到帧时区分是入网还是数据，并分别处理，它会在CC2500 RX接收中断后调用。想要研究协议结构的童鞋可以一路Go to definition找到函数调用的地方，现在我们只需定义该函数而无须理会调用机制。

回调函数的原型如下，当lid为0时，表示有设备入网，此时sJoinSem++，在主函数的sJoinSem子过程中进行处理，建立连接并为其分配LinkID。如果lid不为零则表示该设备已经入网并分配了LinkID，这个数据帧被作为通信数据在主函数的sPeerFrameSem子过程中通过SMPL_Recieve函数接收。

static uint8_t sCB(linkID_t lid)

{

  if (lid)

  {

    sPeerFrameSem ;

 

  }

  else

  {

    sJoinSem ;

  }

  return 0;

}

至此整个初始化工作完成，然后AP进入while(1)循环，这个循环中包含几个子过程，这里我们只需要sJoinSem和sPeerFrameSem两个过程。

sJoinSem过程内容如下：

    if (sJoinSem && (sNumCurrentPeers < NUM_CONNECTIONS))

    {

      while (1)

      {

        if (SMPL_SUCCESS == SMPL_LinkListen(&sLID[sNumCurrentPeers]))

        {

          break;

        }

      }

      sNumCurrentPeers ;

      BSP_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);

      sJoinSem--;

      BSP_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

    }

一旦进入这个过程（有设备入网），软件将持续通过SMPL_LinkListen函数监听ED发起的链接，在链接建立后会为该链接分配一个LinkID，以后数据收发就考这个LinkID作为标识。该函数的实参就是一个用来存放LinkID的数组。sNumCurrentPeers是当前连接设备计数器，这里要注意的是在处理完入网帧后，需要减少sJoinSem的值，而sJoinSem是一个公共变量，同时受回调函数的控制。sCB是一个在中断中执行的函数，所以要通过BSP_ENTER_CRITICAL_SECTION进行临界保护，参数intState其实是一个unsigned short型变量，在主函数中定义，用于保存相关寄存器，在退出临界状态时恢复。

对接收到的通信数据的处理则要靠sPeerFrameSem：

    if (sPeerFrameSem)

    {

      uint8_t     msg[MAX_APP_PAYLOAD], len, i;

      for (i=0; i

      {

        if (SMPL_SUCCESS == SMPL_Receive(sLID[i], msg, &len))

        {

          USCI0_SendDataString(msg, len);

          BSP_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);

          sPeerFrameSem--;

          BSP_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

        }

      }

    }

SMPL_Receive函数读取接收到的数据帧，将APP_PAYLOAD分离出来保存在msg数组中，len作为实参保存msg的长度，最后通过USCI0_SendDataString发送给上位机。

void USCI0_SendDataString(uint8_t *msg, uint8_t len)

{

  int i;

  for(i=0;i

    USCI0_PutChar(msg[i]);

}

其中USCI0_PutChar这个函数需要自己写，如果是带有USCI模块的430可以使用我的SED430-RF2500中的UART.c，若是USART模块的430则参见SED430中的串口文件。传送门上面已经给出。

那么如果要给ED发数据怎么办呢，依然只要一个函数即可：

定义一个msg数组，写入要发送的数据，然后：

SMPL_Send(lid, msg, len);

lid是要目的设备的LinkID，len是要发送数据的长度，这里len和接收函数不同是形参，注意不要超过最大负载长度哦。

这就是AP的部分，可以完成入网，数据接收发送功能，另外还有一些跳频和信号强度检测的功能，可以自己研究一下。

 

（3）ED节点

修改代码之前，需要给ED设置一个32位地址，这个地址相当于TCP/IP中的IP地址，由于SimpliciTI没有MAC层，所以设备就要靠这个地址识别数据包是不是发给自己的。网络中每一个设备的地址都应当是唯一的，否则会发生冲突。可以在对应设备的.dat配置文件中修改这条语句：

-DTHIS_DEVICE_ADDRESS="{0x7A, 0x56, 0x34, 0x12}"

若不想一个一个设置，可以参考范例共给出的产生随机地址的方法，通过ADC或者VLO采集一个真随机数（虽然是真随机数不过不知道是什么分布的），换算成地址并写入Flash。

ED和AP的设备初始化过程一样，初始化完成后，开始检测是否存在网络并，直到检测到AP建立的网络并入网。__bis_SR_register函数的作用是休眠并等待TA中断，如果不想采用这种方式，也可以通过__delay_cycles函数或自己编写Delay函数实现延时。

  //搜寻并加入网络

  while (SMPL_SUCCESS != SMPL_Init(sCB))

  {

    BSP_TOGGLE_LED1();  //LED闪烁

    BSP_TOGGLE_LED2();

    __bis_SR_register(LPM0_bits GIE);

  }

如果ED不需要接收数据，SMPL_Init时可以不要回调函数：SMPL_Init(0)。如果需要接收数据，则应当开启RX：

SMPL_Ioctl( IOCTL_OBJ_RADIO, IOCTL_ACT_RADIO_RXON, 0);

ED的回调函数中只处理数据帧而没有入网帧，其形式如下：

static uint8_t sCB(linkID_t lid)

{

  if (lid)

  {

    sPeerFrameSem ;

  }

  return 0;

}

ED在加入网络后还不能直接和AP通信，首先需要建立一个连接（Link）：

  //向AP发起Link

  BSP_TOGGLE_LED1(); 

  while (SMPL_SUCCESS != SMPL_Link(&LID_AP))

  {

    BSP_TOGGLE_LED1();

    BSP_TOGGLE_LED2();

    __bis_SR_register(LPM0_bits GIE); //替换成你自己的延时函数

  }

连接建立好以后，AP的LinkID被保存在LID_AP变量中，因为我们只需要和一个固定的AP通信，所以不需要数组来保存多个LinkID。

至此，ED已经可以和AP自由的交换数据了，在sPeerFrameSem子过程中，我们将接收到的数据发还给AP并翻转一个LED。

    //接收到RF数据

    if(sPeerFrameSem)

    {

      uint8_t msg[MAX_APP_PAYLOAD], len;

      if (SMPL_SUCCESS == SMPL_Receive(LID_AP, msg, &len))

      {

        SMPL_Send(LID_AP, msg, len); //发回接收到的数据

        BSP_TOGGLE_LED2(); //翻转LED状态

        BSP_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);

        sPeerFrameSem--;

        BSP_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

      }

    }

搞定，可以编译运行了。

设置Show build messages显示全部消息，编译……

 

 

可以看到软件占用资源情况，想要运行这个协议栈，还要跑一些自己的程序，至少要有10KB的Flash和1KB的RAM，不过比起ZigBee那样的重量级协议，已经非常节省了。

 

四、运行结果

这是本例的工程文件（IAR5.30），分别将AP和ED的程序下载到模块中。

RF2500_Example_01.rar
 

装好各模块：

 

AP模块通过USB Debugger连接PC

 

ED模块，这里外接了电源

 

打开你的串口调试工具，发送数据。接收到的数据与发送的一致，表明整个通信没有问题。同时，每发送一帧数据，ED模块的LED的状态会改变一次。这里设置了定时发送：