無線傳輸系統(tǒng)中nRF2401芯片數(shù)據(jù)丟失問題的研究

　　當前，近距離無線通信技術在越來越多的領域中得到應用，凡是布線繁雜或不允許布線的場合，如小型無線網(wǎng)絡、門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、非接觸RF智能卡等，都可以通過無線通信來滿足需求。在大量出現(xiàn)的射頻集成芯片中，由Nordic公司推出的無線收發(fā)一體芯片nRF2401，因其外圍電路簡單、通信速率高、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠、成本低、開發(fā)周期短等優(yōu)點，在無線系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛應用。但該芯片內(nèi)部通信協(xié)議僅包含差錯重傳機制，而沒有考慮實際應用中存在的數(shù)據(jù)丟失問題。本文用丟失重傳機制對其通信協(xié)議進行了擴展，并在用C8051F236微控制器與nRF2401設計的簡單通信電路上，對所提解決方案的正確性加以實驗證明。

　　1 芯片工作原理

　　nRF2401工作原理可概括為：一個配置字、兩種通信模式、兩個通道和四種狀態(tài)[1]。

　　一個配置字：nRF2401的各種參數(shù)，都由控制器通過一個3線接口(CLK、DR和DATA)寫入一個單獨的配置寄存器。該配置寄存器共144位，稱為狀態(tài)字。

　　兩種通信模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurstTM Mode(突發(fā)模式" title="突發(fā)模式">突發(fā)模式)。直接模式的使用與其他傳統(tǒng)射頻收發(fā)器的原理一樣，需要通過軟件在發(fā)送端添加校驗碼和地址碼，在接收端判斷是否為本機地址，并檢查數(shù)據(jù)是否傳輸正確。突發(fā)模式使用芯片內(nèi)部的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可從低速微控制器送入，高速發(fā)射出去，地址和校驗碼由硬件自動添加和刪除。

　　兩個通道：控制器與nRF2401通過由CLK、DR和DATA組成的兩個通道交換傳輸數(shù)據(jù)，通道1(CLK1、DR1、DATA)可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通道2(CLK2、DR2和DOUT2)只能接收數(shù)據(jù)，并且接收頻道2的頻率只有在比頻道1高8MHz的情況下才能保證正確接收。

　　四種狀態(tài)：分別為Active(RX/TX)(激活狀態(tài))、Configuration(配置狀態(tài))、Stand_by(等待狀態(tài))、Power down(掉電狀態(tài))，通過3個引腳PWR_UP、CE、CS控制。

　　nRF2401工作時，首先置2401為配置狀態(tài)，由控制器中寫入狀態(tài)字;而后，在激活狀態(tài)下，使用狀態(tài)字中指定的通道，進行數(shù)據(jù)收發(fā)，收發(fā)過程中進行交互時一方進入等待狀態(tài);如全部數(shù)據(jù)都傳送完畢，則進入掉電狀態(tài)。

　　2 RF協(xié)議擴展

　　nRF2401在其設計時，把多數(shù)單元如：頻率合成器、晶體振蕩器、調(diào)制器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等都進行了集成，因而外圍電路簡單。其內(nèi)部通信協(xié)議中的差錯重傳機制對發(fā)送的每個數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀在接收方進行片內(nèi)CRC校驗，以保證接收數(shù)據(jù)的正確性。但在實際應用中[2]，往往因為各種因素，如來自應用電路和外界的噪聲干擾，或者元器件老化導致的信號衰減等，導致傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失。

　　為有效解決上述問題，可用丟失重傳機制對其通信協(xié)議加以擴展，即由發(fā)送方對數(shù)據(jù)進行預封裝處理。具體做法是：發(fā)方將待發(fā)送數(shù)據(jù)分組，計算出每組的CRC校驗值，封裝于預先定義好的包內(nèi)，分若干幀發(fā)送出去。收方要對每次接收到的數(shù)據(jù)幀及發(fā)方定義的數(shù)據(jù)包進行兩次CRC校驗，通過幀CRC校驗確認接收數(shù)據(jù)的正確性，通過包CRC校驗判斷是否發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失。在丟失發(fā)生的情況下，收方有3次請求重傳的機會，收發(fā)雙方用ACK信號進行交互。

　　2.1 數(shù)據(jù)分組

　　將待發(fā)送數(shù)據(jù)進行分組時，要考慮兩個因素：數(shù)據(jù)幀的格式及狀態(tài)字設置。在突發(fā)傳遞模式下，nRF2401的數(shù)據(jù)幀格式如表1。

　　其中，幀頭Pre-amble、收方地址address、crc分別占8、32、16位，由于突發(fā)模式下數(shù)據(jù)幀長度不能超過256位，所以數(shù)據(jù)部分Payload的最大長度是：256-(Pre-amble：8位+Address：32位+CRC：16位)=200位(25B)，即每幀的payload部分可以為1～25B。下面的實驗中，由狀態(tài)字設置數(shù)據(jù)部分長度為20B。所以，對待傳送數(shù)據(jù)分組時，每組長度取20B的整數(shù)倍。本系統(tǒng)按每組60B進行分組。其中，高58位為數(shù)據(jù)，兩個低字節(jié)用于存放由58B數(shù)據(jù)計算出的CRC校驗值。這樣，每個數(shù)據(jù)包(組)分3個數(shù)據(jù)幀發(fā)送。

　　需要指出的是，在每次發(fā)送完一個數(shù)據(jù)封裝包后，收發(fā)雙方的交互要進行兩次收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，會占用數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，但nRF2401有一個優(yōu)勢在于：它只需要改變配置字的最低位RXEN就可進行收發(fā)方式(RXEN=0 TX;RXEN=1 RX)轉(zhuǎn)換，而不必重置整個配置字。每進行一次轉(zhuǎn)換，需要控制器通過CE、CS引腳改變nRF2401的工作狀態(tài)，由nRF2401的時序可知，會有兩個最長5μs的延時，兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)換共有20μs的延時。由于實際應用中一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較少，而且數(shù)據(jù)丟失發(fā)生的幾率很小，所以不會對傳輸速度有太大的影響。

　　2.2 適用范圍

　　不同的應用，需要一次性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不同，上述方法適用于傳輸數(shù)據(jù)量為KB以上的情況。為了減少發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時重傳的代價，當傳輸數(shù)據(jù)量少于KB時，可以按實際情況，調(diào)整狀態(tài)字中設置的Payload段的長度，對數(shù)據(jù)進行靈活分組。例如：如果待傳輸數(shù)據(jù)為560B，可以設置Payload段的長度為10B，按每組30B封裝，這樣，所有數(shù)據(jù)分20個組，分60幀傳送完畢。

　　另外，如果待傳輸數(shù)據(jù)量為100B左右，顯然沒有分組的必要，但為了保證不發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，可以在封裝時去掉CRC段，加一個1B的head字段，作為傳輸數(shù)據(jù)的序號，每個封裝包用1個數(shù)據(jù)幀發(fā)送。接收端通過檢查head字段，確定是否發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。

　　3 實驗設計

　　3.1 硬件設計

　　硬件實現(xiàn)電路如圖1。由單片機C8051F236控制nRF2401進行數(shù)據(jù)傳輸。由于單片機與nRF2401的供電電壓分別為1.9～3.6V和5V，設計中采用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換。另外，在發(fā)送端和接收端采用幾乎完全對稱的設計。

　　將C8051F236的P2.5、P2.6、P2.7配置為通用I/O引腳[3]，與nRF2401的CE、CS、PWR_UP連接，控制nRF2401的工作狀態(tài)。系統(tǒng)上電時，首先置nRF2401為配置狀態(tài)，寫入狀態(tài)字。隨后置nRF2401為激活方式。P0.2-0.7也配置成通用I/O引腳，與nRF2401的CLK1、DR1、DATA(通道1)、CLK2、DR2、DOUT2(通道2)連接，進行數(shù)據(jù)收發(fā)。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機置CE為1，通過通道1將數(shù)據(jù)寫入nRF2401，而后置CE為0，由nRF2401將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果封裝包的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢，切換到接收狀態(tài)。接收方用兩個通道同時接收數(shù)據(jù)。

　　3.2 軟件設計

　　程序開始時對C8051F236及nRF2401狀態(tài)字進行配置，隨后進入激活方式。本系統(tǒng)狀態(tài)字配置接收端值為：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF41。配置后nRF2401每次發(fā)送的數(shù)據(jù)長度為160bit(20B)，地址段長度32bit，通道1、2硬件地址0xCC，16位CRC校驗段，以突發(fā)模式進行雙通道接收，通信速率250Kbps，晶振頻率16MHz，輸出功率0dBm，工作頻段2440～2448MHz，接收狀態(tài)。發(fā)送端值為：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF40，發(fā)送狀態(tài)。

　　進入激活狀態(tài)后，收發(fā)雙方行為描述如下：

　　第一步：定義一個數(shù)據(jù)包結構，發(fā)方將待發(fā)送數(shù)據(jù)分組，計算出數(shù)據(jù)包CRC校驗值，然后將數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送。發(fā)送完一個封裝包(共60B)后，停止發(fā)送，切換到接收狀態(tài)，等待ACK信號到來。收方接收完一個封裝包后，切換到發(fā)送狀態(tài)，同時計算接收到的數(shù)據(jù)包的CRC校驗值，如果與包內(nèi)的CRC值相符，則說明數(shù)據(jù)接收正確，收方置ACK值為0;如不一致，則說明發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失，收方置ACK值為1。

　　第二步：收方發(fā)送ACK信號給發(fā)方，發(fā)方根據(jù)ACK值決定繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包(ACK=0)還是重新發(fā)送數(shù)據(jù)包(ACK=1)。

　　第三步：收發(fā)雙方再次重新配置，繼續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。

　　第四步：在發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失的情況下，收方對要求重發(fā)次數(shù)用count進行計數(shù)，如果三次重發(fā)請求所收到的數(shù)據(jù)仍不正確，則不再要求重發(fā)，切換到Stand_by狀態(tài)。

　　軟件流程圖如圖2。

　　數(shù)據(jù)包可定義為結構體：

　　Struct PACKAGE {

　　Char head;//1B數(shù)據(jù)序號(可選)

　　Char DATA[57];//58B數(shù)據(jù)

　　Char CRC[1];//2BCRC校驗值

　　……

　　} package;

　　除收發(fā)程序外，收發(fā)雙方對包封裝、包檢測及包的CRC值計算定義相應的函數(shù)。發(fā)方對數(shù)據(jù)分組時，如未發(fā)送數(shù)據(jù)不足60B，則在高位補0。

　　3.3 實驗與結果分析

　　向單片機中載入程序后，nRF2401工作模式配置為雙通道突發(fā)模式，控制程序采用C語言編寫。用評估參數(shù)BLER(塊錯誤)，對實驗中數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失情況進行評估：

　　BLER=丟失塊數(shù)/傳輸?shù)目倝K數(shù)

　　實驗方案：在允許的距離范圍(10～30米)內(nèi)，分不同傳輸距離，分別發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，每個距離發(fā)送3次，BLER值取3次的平均值。為了進一步說明問題，首先以未擴展的協(xié)議進行收發(fā)，然后再以擴展協(xié)議進行收發(fā)，并分別記下相應BLER值。實驗數(shù)據(jù)如表2。

　　由表2可知，進行協(xié)議擴展后，BLER值僅為0.0%～0.14%，這充分說明本文提出的協(xié)議擴展方法能夠?qū)崿F(xiàn)更加可靠的數(shù)據(jù)傳輸。實驗時數(shù)據(jù)傳輸速度為120kbps，主要原因是受單片機讀寫速度的限制，更換高速單片機可提高傳輸速率。

　　本文用擴展協(xié)議的方法，解決了無線收發(fā)芯片nRF2401在實際應用中存在的數(shù)據(jù)丟失問題。實驗結果表明，本文給出的方法可以有效提高nRF2401無線傳輸?shù)目煽啃?，傳輸速率符合不同應用領域的要求，而且該方法具有通用性和靈活性的特點，可在nRF2401芯片的所有應用及其他無線通信系統(tǒng)中推廣。