arduino笔记33：nRF24l01模块使用 FSK 波特率通信方式 PTX PRX

我会带着你远行 2023-02-14 06:53 8阅读 0赞

最近再arduino中文社区看到了一篇介绍nrf24l01基本原理的帖子，内容感觉蛮不错的，学习一下，记录一下学习笔记。

大部分内容都是Arduino中文社区的帖子，附上自己的一点点体会。

**目录**

一、数据传输

FSK（Frequency Shift Keying）

波特率

可用频道

二、传输机制

--------------------

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# 一、数据传输 #

## FSK（Frequency Shift Keying） ##

我们的数据其实就是一长串0和1的组合，无线传输就是想办法将0/1信号通过电磁波发送出去，专业的词汇叫**信号调制**，怎么做呢？  
nrf2401使用的技术叫**FSK**（Frequency Shift Keying 直译过来叫**频移键控**，我认为翻译成键控频移更合适）。  
说人话就是：以某个**固定频率**为基准（也叫载波），通过改变电磁波的频率来传递0或1，即在**载波频率**的基础上，发0时让频率高一点，发1时让频率低一点，接收端通过持续监测这种频率变化，从而识别出0或1，接收端的这个识别过程叫**检波**。  
从度娘那里搞来一张图：

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上面这张图就是FSK的基本原理简图，不过大家不要被这张图的某个细节所误导，即传递1的时候并不是一个正弦波就完事儿了，同样0也不是两三个正弦波就完事了，要准确地传递一个bit，对应的频率信号必须要稳定地持续一段时间，这样接收端才能准确的判断出这是一个有效的bit。

## 波特率 ##

我们假设这个时间是T，(1/T)是啥呢？**波特率**！是不是很眼熟啊.  
  
  
其实对于nrf2401来说，上文中的波特率准确的名字应该叫**空中波特率(air-data-rate)**，就FSK的原理上来说，波特率可以是任意值，但nrf2401做了大幅简化，只允许使用3种固定的波特率，分别是 250Kbps/1Mbps/2Mbps，nrf2401允许我们在使用时给它指定一个波特率，3选1。

需要注意的是！！当nrf2401正处于接收数据或发送数据的工作状态时，不要修改波特率，你修改了，就破坏了当前这份数据的接收/发送规律，必然导致通信失败。  
  
  
科普完了FSK的原理，有些问题自然而然就明了了：

（1）记得刚才说的"**载波频率**"吧，nrf2401把它叫做啥呢？"**RF Channel frequency**"！在nrf2401这里，载波频率是可调的，通过修改nrf2401内部相关寄存器的配置进行调节，既然是由寄存器来决定载波频率，那频率取值肯定是不连续了，以2400MHz为起始值，每隔1MHz取一个频率点，最大一直到2525MHz（设定频率的时候记得避开WiFi干扰），一共**126**个取值，nrf2401把这些值叫做 **RF Channel**。 和波特率一样的问题，收发数据的时候不要修改。  
  
  
（2）由FSK的原理可知，两个模块一收一发，**想要正常通信，双方必须使用同样的载波频率**，也就是两边RF Channel的值必须相同  
  
  
（3）由FSK的原理可知，当nrf2401在某载波频率上发送数据时，会占用一个窄窄的、以载波频率为为中心左右延伸的频带。承载bit信息的频率离载波频率越远，接收端越容易识别出这个bit，但坏处是会占用更宽的频带（这个道理应该不难理解吧？）。前面说了，RF Channel的频率间隔是1MHz，如果频带宽度超过了1MHz，那么相邻的两个RF Channel在频带上就会重叠，会相互干扰，这俩Channel就一起废了。

## 可用频道 ##

当nrf2401的波特率是250Kbps或1Mbps时，可以做到频带宽度小于1MHz，这样就能保证126个RF Channel互不影响，也就是说，我们共有126个Channel可用，很完美。

但是当波特率是2Mbps的时候，情况出现了变化，频带宽度小于1MHz搞不定，只能做到让频带宽度小于2MHz，也就是说我们只有一半的Channel可以用了。  
  
  
这是啥原理呢？

还记得前面说的那个时间T么？2Mbps时这个T只有500纳秒，即接收端在接收数据时只有500纳秒的时间来识别每个bit，如果承载bit信息的频率离载波频率太近，就无法保证可靠的识别，那只有加宽频带才能解决这个问题了。  
以频带换时间。

# 二、传输机制 #

根据FSK的实现原理可以很明显的看出，这是**串行传输模式**。和串口传输几乎是一样的，唯一不同的是串口有TX RX两根线，通信两端可以同时接收/发送，互不影响。而反观nrf2401，它内部只有一个**射频模块**，任意时刻，射频模块只能在【关机/发射信号/接收信号】这3种工作状态中3选1，也就是nrf2401要么只能对外发送数据，要么只能接收数据。  
  
  
来点儿专业词汇：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="width:86px;"><strong>单工通信</strong></td> 
   <td>两个通信节点，数据只能从本端传输到对端而不能反着来</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:86px;"><strong>双工通信</strong></td> 
   <td>本端可以发数据给对端，对端也可以发数据给本端</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:86px;"><strong>全双工通信</strong></td> 
   <td>本端随时可以发数据给对端，对端也可以随时发数据给本端，互不影响</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="width:86px;"><strong>半双工通信</strong></td> 
   <td>虽然两端可以互传数据，但我发的时候你只能收不能发，同样你发的时候我也只能收不能发</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

综上可知，**串口**属于**全双工通信**，**nrf2401属于半双工通信**。  
  
  
当我们使用nrf2401进行双向通信的时候，根据项目的不同应该会遇到各种各样的通信场景，我们讨论一下最复杂的情况：  
两个无线节点互相通信，某一时刻，两边都有大量的数据想要尽快传送给对方。半双工的特性决定了肯定无法同时互相传输，应该怎么制定传输方案呢？

最简单的方法，我先发你收着，等我这边的数据发完了你再给我发。  
这个方法原理上可行，但不合适：

1. 实时性差。 波特率不变时，数据量越大，传输耗时越长，我这边发给你的数据越多，开始收取你那边数据的时间就越靠后。  
2. 不可靠。相比有线传输，无线传输从原理上就天然的不可靠，很容易受周围空间中其他电磁波的干扰。  
巴拉巴拉传了一长串，万一中间某个地方干扰了一下，哪怕只导致一个bit解析出错，那对方收到的整份数据就是错误的。  
  
  
现在换一种方法：  
（1）我们双方约定好，公平使用传输通道，我让让你，你可以先发数据。但有个条件，不管你有多少数据要发给我，发数据的时候，每次发的字节数量不能超过某个固定长度，我们这里假设是32字节。发少了可以，发多了不行。  
（2）你那边发完了这32字节数据之后，要立即转入接收状态。  
此外，我对你还有个要求，一旦你进入了接收状态，不要一直死等，如果过了一段时间你没收到我发给你的数据，请切换到发送状态，把刚才发我的那段数据再发一遍。  
（3）我收到你的数据之后，如果检查没错误，我会立即转入发送状态，把我这边的数据发给你，同样我也会遵守单次发送最大长度32字节的约定。  
（4）如果我收到数据后检查发现有错误，那不好意思，就算我有数据要发给你，但因为你给我的数据是错误的，所以我不搭理你，等着你再给我发一遍。  
（5）还有一种特殊情况：经检查你发的数据没问题，但我没什么数据要发给你，这时候，为了不让你在接收状态死等下去，我会简单发你一个"恩，收到了"之类的无意义回复。  
（6）给你发完回复之后，我不关心你有没有收到，我会接着退出发送状态，进入接收状态继续等待。  
（7）你在接收状态收到了我发给你的数据，知道了"我已收到你的数据"，然后你就可以再次转入发送状态，将第二段数据发给我，继续重复前面的过程。  
（8）如果你在接收状态下一直没收到我的回复，导致等待超时了，那说明刚才的交流某个环节出了问题。也许是我根本没收到你的数据，也许你的数据被我检查出错误来了，也许是我发你的回复你没收到。所以，你需要重新发送一次刚才发过的数据。  
（9）某些极端情况下，你可能一遍遍的重发同样的数据，我一直没搭理你。然后，你怒了，能咋办？回家告状去呗！  
  
  
以上的描述就是nrf2401实现可靠双向通信的基本过程。  
可以看出，上文中的"你"主动性更大，每次通信的时候，都是由"你"发起的，"我"只是被动的接收，  
然后"我"通过"回复(**ACK**)"的方式变相的把"我"这边的数据回传给"你".  
通信过程的异常控制也是有"你"这一端来掌控的，包括 超时控制 / 重发控制 / 重发失败足够次数之后终止通信并报错。  
  
nrf2401把行为如"你"的这一端叫做"**主发送端**"（Primary Transmitter，简称**PTX**），  
把行为如"我"的这一端叫做"**主接收端**"（Primary Receiver，简称**PRX**），  
以后讨论时我们只使用 PTX / PRX 这两个简写，大家记一下。  
  
还有一点需要特别强调：  
PTX虽然叫PTX，但PTX可以进入"发送模式"发送数据，也可以进入"接收模式"接收数据；  
PRX同样既可以进入"发送模式"发送数据， 也可以进入"接收模式"接收数据；  
PTX/PRX指的是**控制逻辑**；"发送/接收模式"指的是**射频部分的工作状态**，切记两者不要混淆。  
  
我们计算一下，单次发送32字节数据，需要多长时间：  
2Mbps  波特率： 32\*8/2000000 = 128  微秒  
1Mbps  波特率： 32\*8/1000000 = 256  微秒  
250Kbps波特率:  32\*8/250000  = 1024 微秒 1毫秒多一点点  
可以看出这个时间是很短的，在此基础上，把时间轴拉长，从宏观上看，可以近似看做两端是在同时、双向通信。  
这种方案本质上是将时间划分为多个很小的片段，随着时间片的向前推进，通信双方交替使用唯一的信号通道向对端发送数据。  
专业的词汇叫： **时分复用**(Time Division Multiplexing,**TDM**)  
  
【关于上面那一长段你我交互的过程，大家仔细看看，确保弄清各个环节，对于后面理解更细致的通信过程有很大帮助。】

来源：

[https://www.arduino.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86275&extra=&authorid=175094&page=1][https_www.arduino.cn_forum.php_mod_viewthread_tid_86275_extra_authorid_175094_page_1]

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