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，如小型無線網絡、門禁系統、工業數據采集系統、非接觸RF智能卡等，都可以通過無線通信來滿足需求。在大量出現的射頻集成芯片中，由Nordic公司推出的無線收發一體芯片nRF2401，因其外圍電路簡單、通信速率高、通信質量穩定可靠、成本低、開發周期短等優點，在無線系統開發中得到廣泛應用。但該芯片內部通信協議僅包含差錯重傳機制，而沒有考慮實際應用中存在的數據丟失問題。本文用丟失重傳機制對其通信協議進行了擴展，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[1]。

　　一個配置字：nRF2401的各種參數，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，稱為狀態字。

　　兩種通信模式：Direct Mode(直接模式)和ShockBurstTM Mode(突發模式" title="突發模式">突發模式)。直接模式的使用與其他傳統射頻收發器的原理一樣，需要通過軟件在發送端添加校驗碼和地址碼，在接收端判斷是否為本機地址，并檢查數據是否傳輸正確。突發模式使用芯片內部的先入先出堆棧區，數據可從低速微控制器送入，高速發射出去，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據，通道1(CLK1、DR1、DATA)可接收和發送數據，通道2(CLK2、DR2和DOUT2)只能接收數據，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：分別為Active(RX/TX)(激活狀態)、Configuration(配置狀態)、Stand_by(等待狀態)、Power down(掉電狀態)，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，由控制器中寫入狀態字;而后，在激活狀態下，使用狀態字中指定的通道，進行數據收發，收發過程中進行交互時一方進入等待狀態;如全部數據都傳送完畢，則進入掉電狀態。

　　2 RF協議擴展

　　nRF2401在其設計時，把多數單元如：頻率合成器、晶體振蕩器、調制器和數模轉換器等都進行了集成，因而外圍電路簡單。其內部通信協議中的差錯重傳機制對發送的每個數據幀" title="數據幀">數據幀在接收方進行片內CRC校驗，以保證接收數據的正確性。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據丟失。

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

　　2.1 數據分組

　　將待發送數據進行分組時，要考慮兩個因素：數據幀的格式及狀態字設置。在突發傳遞模式下，nRF2401的數據幀格式如表1。

　　其中，幀頭Pre-amble、收方地址address、crc分別占8、32、16位，由于突發模式下數據幀長度不能超過256位，所以數據部分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，由狀態字設置數據部分長度為20B。所以，對待傳送數據分組時，每組長度取20B的整數倍。本系統按每組60B進行分組。其中，高58位為數據，兩個低字節用于存放由58B數據計算出的CRC校驗值。這樣，每個數據包(組)分3個數據幀發送。

　　需要指出的是，在每次發送完一個數據封裝包后，收發雙方的交互要進行兩次收發狀態的轉換，會占用數據傳輸的時間，但nRF2401有一個優勢在于：它只需要改變配置字的最低位RXEN就可進行收發方式(RXEN=0 TX;RXEN=1 RX)轉換，而不必重置整個配置字。每進行一次轉換，需要控制器通過CE、CS引腳改變nRF2401的工作狀態，由nRF2401的時序可知，會有兩個最長5μs的延時，兩次狀態轉換共有20μs的延時。由于實際應用中一次傳輸的數據量比較少，而且數據丟失發生的幾率很小，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，需要一次性傳輸的數據量也不同，上述方法適用于傳輸數據量為KB以上的情況。為了減少發生數據丟失時重傳的代價，當傳輸數據量少于KB時，可以按實際情況，調整狀態字中設置的Payload段的長度，對數據進行靈活分組。例如：如果待傳輸數據為560B，可以設置Payload段的長度為10B，按每組30B封裝，這樣，所有數據分20個組，分60幀傳送完畢。

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

　　3 實驗設計

　　3.1 硬件設計

　　硬件實現電路如圖1。由單片機C8051F236控制nRF2401進行數據傳輸。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芯片進行電平轉換。另外，在發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。系統上電時，首先置nRF2401為配置狀態，寫入狀態字。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，進行數據收發。當需要發送數據時，單片機置CE為1，通過通道1將數據寫入nRF2401，而后置CE為0，由nRF2401將數據發送出去。如果封裝包的所有數據都發送完畢，切換到接收狀態。接收方用兩個通道同時接收數據。

　　3.2 軟件設計

　　程序開始時對C8051F236及nRF2401狀態字進行配置，隨后進入激活方式。本系統狀態字配置接收端值為：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF41。配置后nRF2401每次發送的數據長度為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。發送端值為：0x8E08.1CA0.A000.0000.00CC.0000.0000.CC23.CF40，發送狀態。

　　進入激活狀態后，收發雙方行為描述如下：

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

　　第二步：收方發送ACK信號給發方，發方根據ACK值決定繼續發送數據包(ACK=0)還是重新發送數據包(ACK=1)。

　　第三步：收發雙方再次重新配置，繼續數據傳輸。

　　第四步：在發生數據包丟失的情況下，收方對要求重發次數用count進行計數，如果三次重發請求所收到的數據仍不正確，則不再要求重發，切換到Stand_by狀態。

　　軟件流程圖如圖2。

　　數據包可定義為結構體：

　　Struct PACKAGE {

　　Char head;//1B數據序號(可選)

　　Char DATA[57];//58B數據

　　Char CRC[1];//2BCRC校驗值

　　……

　　} package;

　　除收發程序外，收發雙方對包封裝、包檢測及包的CRC值計算定義相應的函數。發方對數據分組時，如未發送數據不足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模式，控制程序采用C語言編寫。用評估參數BLER(塊錯誤)，對實驗中數據傳輸過程中的數據丟失情況進行評估：

　　BLER=丟失塊數/傳輸的總塊數

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

　　由表2可知，進行協議擴展后，BLER值僅為0.0%～0.14%，這充分說明本文提出的協議擴展方法能夠實現更加可靠的數據傳輸。實驗時數據傳輸速度為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。

　　本文用擴展協議的方法，解決了無線收發芯片nRF2401在實際應用中存在的數據丟失問題。實驗結果表明，本文給出的方法可以有效提高nRF2401無線傳輸的可靠性，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中推廣。