无线传输系统中nRF2401芯片数据丢失问题的研究

　　当前，近距离无线通信技术在越来越多的领域中得到应用，凡是布线繁杂或不允许布线的场合，如小型无线网络、门禁系统、工业数据采集系统、非接触RF智能卡等，都可以通过无线通信来满足需求。在大量出现的射频集成芯片中，由Nordic公司推出的无线收发一体芯片nRF2401，因其外围电路简单、通信速率高、通信质量稳定可靠、成本低、开发周期短等优点，在无线系统开发中得到广泛应用。但该芯片内部通信协议仅包含差错重传机制，而没有考虑实际应用中存在的数据丢失问题。本文用丢失重传机制对其通信协议进行了扩展，并在用C8051F236微控制器与nRF2401设计的简单通信电路上，对所提解决方案的正确性加以实验证明。

　　1 芯片工作原理

　　nRF2401工作原理可概括为：一个配置字、两种通信模式、两个通道和四种状态[1]。

　　一个配置字：nRF2401的各种参数，都由控制器通过一个3线接口(CLK、DR和DATA)写入一个单独的配置寄存器。该配置寄存器共144位，称为状态字。

　　两种通信模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurstTM Mode(突发模式" title="突发模式">突发模式)。直接模式的使用与其他传统射频收发器的原理一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址，并检查数据是否传输正确。突发模式使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由硬件自动添加和删除。

　　两个通道：控制器与nRF2401通过由CLK、DR和DATA组成的两个通道交换传输数据，通道1(CLK1、DR1、DATA)可接收和发送数据，通道2(CLK2、DR2和DOUT2)只能接收数据，并且接收频道2的频率只有在比频道1高8MHz的情况下才能保证正确接收。

　　四种状态：分别为Active(RX/TX)(激活状态)、Configuration(配置状态)、Stand_by(等待状态)、Power down(掉电状态)，通过3个引脚PWR_UP、CE、CS控制。

　　nRF2401工作时，首先置2401为配置状态，由控制器中写入状态字;而后，在激活状态下，使用状态字中指定的通道，进行数据收发，收发过程中进行交互时一方进入等待状态;如全部数据都传送完毕，则进入掉电状态。

　　2 RF协议扩展

　　nRF2401在其设计时，把多数单元如：频率合成器、晶体振荡器、调制器和数模转换器等都进行了集成，因而外围电路简单。其内部通信协议中的差错重传机制对发送的每个数据帧" title="数据帧">数据帧在接收方进行片内CRC校验，以保证接收数据的正确性。但在实际应用中[2]，往往因为各种因素，如来自应用电路和外界的噪声干扰，或者元器件老化导致的信号衰减等，导致传输过程中的数据丢失。

　　为有效解决上述问题，可用丢失重传机制对其通信协议加以扩展，即由发送方对数据进行预封装处理。具体做法是：发方将待发送数据分组，计算出每组的CRC校验值，封装于预先定义好的包内，分若干帧发送出去。收方要对每次接收到的数据帧及发方定义的数据包进行两次CRC校验，通过帧CRC校验确认接收数据的正确性，通过包CRC校验判断是否发生数据包丢失。在丢失发生的情况下，收方有3次请求重传的机会，收发双方用ACK信号进行交互。

　　2.1 数据分组

　　将待发送数据进行分组时，要考虑两个因素：数据帧的格式及状态字设置。在突发传递模式下，nRF2401的数据帧格式如表1。

　　其中，帧头Pre-amble、收方地址address、crc分别占8、32、16位，由于突发模式下数据帧长度不能超过256位，所以数据部分Payload的最大长度是：256-(Pre-amble：8位+Address：32位+CRC：16位)=200位(25B)，即每帧的payload部分可以为1～25B。下面的实验中，由状态字设置数据部分长度为20B。所以，对待传送数据分组时，每组长度取20B的整数倍。本系统按每组60B进行分组。其中，高58位为数据，两个低字节用于存放由58B数据计算出的CRC校验值。这样，每个数据包(组)分3个数据帧发送。

　　需要指出的是，在每次发送完一个数据封装包后，收发双方的交互要进行两次收发状态的转换，会占用数据传输的时间，但nRF2401有一个优势在于：它只需要改变配置字的最低位RXEN就可进行收发方式(RXEN=0 TX;RXEN=1 RX)转换，而不必重置整个配置字。每进行一次转换，需要控制器通过CE、CS引脚改变nRF2401的工作状态，由nRF2401的时序可知，会有两个最长5μs的延时，两次状态转换共有20μs的延时。由于实际应用中一次传输的数据量比较少，而且数据丢失发生的几率很小，所以不会对传输速度有太大的影响。

　　2.2 适用范围

　　不同的应用，需要一次性传输的数据量也不同，上述方法适用于传输数据量为KB以上的情况。为了减少发生数据丢失时重传的代价，当传输数据量少于KB时，可以按实际情况，调整状态字中设置的Payload段的长度，对数据进行灵活分组。例如：如果待传输数据为560B，可以设置Payload段的长度为10B，按每组30B封装，这样，所有数据分20个组，分60帧传送完毕。

　　另外，如果待传输数据量为100B左右，显然没有分组的必要，但为了保证不发生数据丢失，可以在封装时去掉CRC段，加一个1B的head字段，作为传输数据的序号，每个封装包用1个数据帧发送。接收端通过检查head字段，确定是否发生数据丢失。

　　3 实验设计

　　3.1 硬件设计

　　硬件实现电路如图1。由单片机C8051F236控制nRF2401进行数据传输。由于单片机与nRF2401的供电电压分别为1.9～3.6V和5V，设计中采用MAX232芯片进行电平转换。另外，在发送端和接收端采用几乎完全对称的设计。

　　将C8051F236的P2.5、P2.6、P2.7配置为通用I/O引脚[3]，与nRF2401的CE、CS、PWR_UP连接，控制nRF2401的工作状态。系统上电时，首先置nRF2401为配置状态，写入状态字。随后置nRF2401为激活方式。P0.2-0.7也配置成通用I/O引脚，与nRF2401的CLK1、DR1、DATA(通道1)、CLK2、DR2、DOUT2(通道2)连接，进行数据收发。当需要发送数据时，单片机置CE为1，通过通道1将数据写入nRF2401，而后置CE为0，由nRF2401将数据发送出去。如果封装包的所有数据都发送完毕，切换到接收状态。接收方用两个通道同时接收数据。

　　3.2 软件设计

　　程序开始时对C8051F236及nRF2401状态字进行配置，随后进入激活方式。本系统状态字配置接收端值为：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF41。配置后nRF2401每次发送的数据长度为160bit(20B)，地址段长度32bit，通道1、2硬件地址0xCC，16位CRC校验段，以突发模式进行双通道接收，通信速率250Kbps，晶振频率16MHz，输出功率0dBm，工作频段2440～2448MHz，接收状态。发送端值为：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF40，发送状态。

　　进入激活状态后，收发双方行为描述如下：

　　第一步：定义一个数据包结构，发方将待发送数据分组，计算出数据包CRC校验值，然后将数据封装、发送。发送完一个封装包(共60B)后，停止发送，切换到接收状态，等待ACK信号到来。收方接收完一个封装包后，切换到发送状态，同时计算接收到的数据包的CRC校验值，如果与包内的CRC值相符，则说明数据接收正确，收方置ACK值为0;如不一致，则说明发生数据包丢失，收方置ACK值为1。

　　第二步：收方发送ACK信号给发方，发方根据ACK值决定继续发送数据包(ACK=0)还是重新发送数据包(ACK=1)。

　　第三步：收发双方再次重新配置，继续数据传输。

　　第四步：在发生数据包丢失的情况下，收方对要求重发次数用count进行计数，如果三次重发请求所收到的数据仍不正确，则不再要求重发，切换到Stand_by状态。

　　软件流程图如图2。

　　数据包可定义为结构体：

　　Struct PACKAGE {

　　Char head;//1B数据序号(可选)

　　Char DATA[57];//58B数据

　　Char CRC[1];//2BCRC校验值

　　……

　　} package;

　　除收发程序外，收发双方对包封装、包检测及包的CRC值计算定义相应的函数。发方对数据分组时，如未发送数据不足60B，则在高位补0。

　　3.3 实验与结果分析

　　向单片机中载入程序后，nRF2401工作模式配置为双通道突发模式，控制程序采用C语言编写。用评估参数BLER(块错误)，对实验中数据传输过程中的数据丢失情况进行评估：

　　BLER=丢失块数/传输的总块数

　　实验方案：在允许的距离范围(10～30米)内，分不同传输距离，分别发送1000个数据包，每个距离发送3次，BLER值取3次的平均值。为了进一步说明问题，首先以未扩展的协议进行收发，然后再以扩展协议进行收发，并分别记下相应BLER值。实验数据如表2。

　　由表2可知，进行协议扩展后，BLER值仅为0.0%～0.14%，这充分说明本文提出的协议扩展方法能够实现更加可靠的数据传输。实验时数据传输速度为120kbps，主要原因是受单片机读写速度的限制，更换高速单片机可提高传输速率。

　　本文用扩展协议的方法，解决了无线收发芯片nRF2401在实际应用中存在的数据丢失问题。实验结果表明，本文给出的方法可以有效提高nRF2401无线传输的可靠性，传输速率符合不同应用领域的要求，而且该方法具有通用性和灵活性的特点，可在nRF2401芯片的所有应用及其他无线通信系统中推广。