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编程问答

LoRa协议在Arduino上的应用——原理及代码分析（二）

發布時間：2023/12/9 编程问答 26 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 LoRa协议在Arduino上的应用——原理及代码分析（二）小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

LoRa調制與解調模式

擴頻與循環糾錯編碼相結合

可以看到，LoRa調制模式下，有一個獨立的雙端口數據緩沖區FIFO，可通過所有模式共有的SPI接口進行訪問。
可針對特定的應用優化LoRa調制：擴頻因子、調制帶寬、錯誤編碼率

先說一下擴頻：其實通俗來講，原來我發送一個信號，這個信號中只包含兩個bit10，現在我發送一個信號，這個信號中包含16個bit，這樣我就相當于將信號拓寬，擴頻因子就是16/2=8。那么我們就可以理解為什么擴頻技術是擴展信號的帶寬：把信道想象成一個通道，原來一次只能通過兩個bit，現在一次性可以通過16個bit，信道是不是變寬了？

但有一點需要注意，就是擴頻前后信號的能量是不變的
至于擴頻的好處：可以根據香農公式，在相同的信息速率下，帶寬和信噪比可以互換，擴頻就是用大帶寬，換接收端信噪比的低要求

再來看下循環糾錯編碼：
其實就是使用糾錯編碼中的循環碼：網上資料很多，不贅述了

代碼分析

主程序

int counter = 0; ... void loop() {...// send packetLoRa.beginPacket();LoRa.print("hello ");LoRa.print(counter);LoRa.endPacket();}

開始發包

int LoRaClass::beginPacket(int implicitHeader) {if (isTransmitting()) {return 0;}// put in standby modeidle();if (implicitHeader) {implicitHeaderMode();} else {explicitHeaderMode();}// reset FIFO address and paload lengthwriteRegister(REG_FIFO_ADDR_PTR, 0);writeRegister(REG_PAYLOAD_LENGTH, 0);return 1; }

在頭文件中，已經設置implicitHeader默認為false，因此會進入explicitHeaderMode()函數

void LoRaClass::explicitHeaderMode() {_implicitHeaderMode = 0;writeRegister(REG_MODEM_CONFIG_1, readRegister(REG_MODEM_CONFIG_1) & 0xfe); }

可以看到這個函數就是把原來調制模式配置寄存器中的數值讀出來，將最后一位設置為0，表示Explicit Header mode，然后寫回。

Packet Structure

LoRa的數據包包含三個部分：

A preamble：前導碼
用于保持接收機與輸入的數據流同步，作用是提醒接收芯片，即將發送的是有效信號。默認size是12個符號長度，有時為了縮短接收機占空比，可以縮短前導碼長度。接收機會定期檢測前導碼，因此接收和發射前導碼長度需要一致。

An optional header
可以選擇顯示（explicit）或隱式（implicit）兩種類型。
顯式報頭：包括Payload長度，前向糾錯編碼率，是否使用CRC（16bit）
隱式報頭：需要手動設置無線鏈路兩端的Payload長度、錯誤編碼率、CRC（如果擴頻因子SF=6，只能使用隱式報頭模式）

The data payload
長度不固定，在FIFO中讀寫

數據傳輸時間

LoRa數據包總傳輸時間 = 前導碼傳輸時間Tpre + 數據包傳輸時間Tpay
前導碼傳輸時間為：Tpre = (Npre + 4.25)*Tpay
Npre表示已設定的前導碼長度（讀取RegPreambleMsb和RegPreambleLsb寄存器得到）
計算Payload符號數的公式為：

PL表示Payload字節數，H=0表示header使能，DE=1表示LowDataRateOptimize=1，CR表示編碼速率

重置FIFO地址與payload長度

結束發包

int LoRaClass::endPacket(bool async) {if ((async) && (_onTxDone))writeRegister(REG_DIO_MAPPING_1, 0x40); // DIO0 => TXDONE// put in TX modewriteRegister(REG_OP_MODE, MODE_LONG_RANGE_MODE | MODE_TX);if (!async) {// wait for TX donewhile ((readRegister(REG_IRQ_FLAGS) & IRQ_TX_DONE_MASK) == 0) {yield();}// clear IRQ'swriteRegister(REG_IRQ_FLAGS, IRQ_TX_DONE_MASK);}return 1; }

默認async = false，_onTxDone(NULL)

SX112系列的6個通用DIO引腳在LoRa模式下均可用，其映射關系取決于RegDioMapping1和RegDioMapping2這兩個寄存器
第一句代碼的意思就是如果處于異步通信狀態，且在發射完成狀態（此處有疑義），就將DIO0引腳映射為發射完成指示符
設置為發射模式，如果不處于異步通信狀態，就等待發送完成，然后清除中斷。
這里講的不是很清楚，我們再來具體看一下：

async：意思是異步，是在non-blocking mode下使用的一個變量。由于網關可能不會向后發送任何數據，因此我們在嘗試接收之前使套接字成為非阻塞狀態，以防止卡在等待永遠不會到達的數據包中
同步、異步、阻塞、非阻塞這四個是進程間通信的概念，進程間通信通過send()和receive()兩種基本操作完成：
阻塞式發送：發送方進程會一直被阻塞，直到消息被接收方進程收到；
非阻塞式發送：發送方調用send()后，可以一直進行其他操作；
阻塞式接收：接收方進程會一直被阻塞，直到消息到達可用；
非阻塞式接收：接收方調用receive()后，要么得到一個有效的效果，要么得到一個空值
（此處參考文章）

void (*_onTxDone)();
可以看到，這是一個類內私有的函數指針，_onTxDone是一個指針，該指針指向的函數的返回值是void
初始化時，該指針指向的確實是一個NULL，但是如果執行了這個函數：

void LoRaClass::onTxDone(void(*callback)()) {_onTxDone = callback;....... }

那么這個指針就不為空，也就是滿足這個判斷條件：

if ((async) && (_onTxDone))

writeRegister(REG_OP_MODE, MODE_LONG_RANGE_MODE | MODE_TX);

這一句對應的就是上圖的Mode Request Tx

while ((readRegister(REG_IRQ_FLAGS) & IRQ_TX_DONE_MASK) == 0)

這一句就是在等待中斷

中斷源

FifoEmpty：當整個FIFO為空，中斷源為高，從FIFO檢索數據的時候，FifoEmpty在NSS下降沿更新。也就是說每次讀取操作之后檢查FifoEmpty狀態，以決定是否讀取下一個字節，FifoEmpty=1表示不需要讀取更多字節

FifoFull

FifoOverrunFlag：is set when a new byte is written by the user (in Tx or Standby modes) or the SR (in Rx mode) while the FIFO is already full，在FIFO已滿的情況下，有一個新的字節被寫入的時候。數據丟失，并且標志應通過寫1清除，同時FIFO也將被清除。

PacketSent:when the SR’s last bit has been sent

FifoLevel

#define IRQ_TX_DONE_MASK 0x08

只把TxDoneMask置為1，其余全部置為0。而如果要滿足while中的循環條件，則REG_IRQ_FLAGS這個寄存器中的第3bit位TxDone必須為0，如果不滿足就yield()就是一直執行這個空循環
跳出這個循環之后，就清除中斷標志，并且設置TX完成標志位

Receiver

void loop() {// try to parse packetint packetSize = LoRa.parsePacket();if (packetSize) {// received a packetSerial.print("Received packet '");// read packetwhile (LoRa.available()) {Serial.print((char)LoRa.read());}// print RSSI of packetSerial.print("' with RSSI ");Serial.println(LoRa.packetRssi());} }

parsePacket

int LoRaClass::parsePacket(int size) {int packetLength = 0;int irqFlags = readRegister(REG_IRQ_FLAGS);if (size > 0) {implicitHeaderMode();writeRegister(REG_PAYLOAD_LENGTH, size & 0xff);} else {explicitHeaderMode();}// clear IRQ'swriteRegister(REG_IRQ_FLAGS, irqFlags);if ((irqFlags & IRQ_RX_DONE_MASK) && (irqFlags & IRQ_PAYLOAD_CRC_ERROR_MASK) == 0) {// received a packet_packetIndex = 0;// read packet lengthif (_implicitHeaderMode) {packetLength = readRegister(REG_PAYLOAD_LENGTH);} else {packetLength = readRegister(REG_RX_NB_BYTES);}// set FIFO address to current RX addresswriteRegister(REG_FIFO_ADDR_PTR, readRegister(REG_FIFO_RX_CURRENT_ADDR));// put in standby modeidle();} else if (readRegister(REG_OP_MODE) != (MODE_LONG_RANGE_MODE | MODE_RX_SINGLE)) {// not currently in RX mode// reset FIFO addresswriteRegister(REG_FIFO_ADDR_PTR, 0);// put in single RX modewriteRegister(REG_OP_MODE, MODE_LONG_RANGE_MODE | MODE_RX_SINGLE);}return packetLength; }

這個函數很長，我們逐步分析。
首先觀察返回值，可以知道這個函數是計算數據包的長度
在頭文件中默認定義int parsePacket(int size = 0);
也就是說會進入顯式數據包模式

#define IRQ_PAYLOAD_CRC_ERROR_MASK 0x20 #define IRQ_RX_DONE_MASK 0x40

接收一個數據包的條件是：從中斷寄存器中的讀取的數據第6位為0或者第5位為0

讀取完數據包長度之后，還需要設置FIFO的地址

具體就是跟著這張圖來

是否存在數據包

int LoRaClass::available() {return (readRegister(REG_RX_NB_BYTES) - _packetIndex); }

這個看起來有點像串口檢測字符的那個函數。。。。。
如果存在數據包，REG_RX_NB_BYTES這個寄存器的值就不為0，就會開始讀取數據

數據讀取

int LoRaClass::read() {if (!available()) {return -1;}_packetIndex++;return readRegister(REG_FIFO); }

返回從FIFO中讀取的數據

RSSI

received signal strength indicator：接收信號強度指示符
常規：
RSSI (dBm) = -157 + Rssi, (高頻口)
RSSI (dBm) = -164 + Rssi, (低頻口)

int LoRaClass::packetRssi() {return (readRegister(REG_PKT_RSSI_VALUE) - (_frequency < 868E6 ? 164 : 157)); }

總結

以上是生活随笔為你收集整理的LoRa协议在Arduino上的应用——原理及代码分析（二）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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