arduino笔记38：PTX的超时重发机制

 

在【4. 数据传输原理第二讲】中，描述过PTX和PRX之间双向通信的基本过程。

里面说过， PTX 掌管着通信过程的主动权，其中一项就是等待PRX端回复时，如果超过限定时间，则PTX会将刚刚发过的数据包再重新发送一次。

 

这个超时重发还是有不少道道可说的，这一节单拎出来讲讲超时重发机制。

 

再强调一下： 超时和重发只跟PTX 有关系，没PRX什么事儿，所以相关寄存器的配置操作，只在PTX端的nrf24l01上配置即可，PRX端不用配置

 

 

上面这两张图（datasheet第43页）描述了两种导致超时重发的意外场景。

图上的内容很多，一时看不明白也不要紧，很多和本节内容无关。

只关心我红框标出的位置即可，跟着下文的描述走就行了。

 

红圈叉号表示数据包传输时意外丢失(电磁波干扰、信号太弱、PRX没准备好、PRX解析数据出错等等各种意外情况)；

矩形红框圈出的是程序给PTX设定好的超时时间，简称 ARD （Auto-Retransmit-Delay）

 

任何一次PTX和PRX之间的通信过程，由PTX负责启动：

 

在【Enhanced ShockBurst】工作模式下，我们的程序只需要在上图T0时刻按照前面章节描述的方法启动PTX的数据发送，上图中后续的所有过程完全由PTX自主完成。

 

PTX首先进入TX Mode，将一个PID为1的数据包发送出去。

发送完毕后，PTX立刻开始计时，同时准备进入RX Mode(RX Mode下才能接收数据)，这个切换过程的耗时是固定的、精确的、130uS。

130uS一过，PTX正式进入了RX Mode，就可以接收来自对方的数据了。

 

由于PTX发出去的包PRX没收到，或者PRX发过来的ACK包传输时意外丢失，所以PTX在RX Mode下根本不会收到正确的回复数据。

 

刚才说过，PTX是一直开着计时的，在上述意外情况下，计时时间是肯定会达到ARD预设的时间值的。当超时的那一刻，PTX就判断出需要执行重发操作了(也可能没有重发流程，这个要看ARC的配置,此细节后面再细说)。

 

PTX开始执行重发流程，由RX Mode转入TX Mode，中间同样需要130uS的转换时间。

PTX入定TX Mode之后，将刚才PID为1的数据包再给PRX发一次。

上图中这次的发送是成功的，后面一切顺利，正常完成了数据的发送，回复的接收等过程。

 

当然，上图的示例仅仅展示了重发一次就成功的场景，但我们在实际使用时，有可能遇到更坏的情况。

如果重发的那次再失败呢？那就二次重发！

二次重发也失败呢？三次重发！！

再失败呢？ 四次重发！！！

没完没了了是吧？！

 

PTX当然不会允许自己陷入这种死循环，PTX 存在一个重发次数的上限 ，这个上限数值简称 ARC （Auto-Retransmit-Count）。

如果【同一个数据包】，【连续重发次数】累积达到了限定值，PTX会自动终止这种重发循环。

终止之后，PTX会立即触发MAX-RT IRQ，拉低nrf24l01的IRQ脚，告知程序：【重发次数达到上限了，我已经尽力了，你自己看着办吧！】

 

上面提到的 ARD 和 ARC这两项参数，nrf24l01允许我们的程序自由配置，只不过是N选1的自由。

这两个参数集中放置在一个寄存器中：

 

 

 

如上图：
ARD 占用 bit4-bit7, 0000表示超时上限为250uS / 0001 为 500uS / 以此类推，最大 1111表示4000uS。

ARC 占用 bit0-bit3, 0001表示只重发一次，之后再失败就触发 MAX-RT IRQ ， 以此类推，最多重发15次。

特别说一下 ARC=0000的情况，0000表示没有重发流程，如果首次发送数据包失败，就立即触发MAX-RT。

 

说到这里，再提个小细节：
细心的同学会发现，在PTX在转入RX Mode等待PRX回复的这个时间段，我的描述和实际图示在细节上有出入。

我的描述貌似在说PTX一直在RX Mode状态下等待PRX的回复，直到等待超时；

而图示中PTX在转入RX Mode之后，在里面只呆了很短的时间就退出了RX Mode，ARD期间大部分时间是不在RX Mode中的。

 

其实两种说法都是对的,看怎么理解^_^

 

【在ARD限定的时间之内没收到PRX的回复，则判定为超时，触发重发流程】

这句话只是口语化的粗略描述，PTX对于回复超时的判定有一套精确的规则：

 

规则1： 进入RX Mode那一刻起，250uS内没检测到和自己匹配的地址数据
规则2： 250uS内收到匹配地址，但回复数据太长了，直到ARD限定的时刻，完整的数据包依旧没收完
规则3： 地址匹配，回复数据没等到ARD超时就早早地收完了，但数据被污染，校验出错

 

以上3种场景任意一种都会触发PTX的超时重发机制。

显然，图示中描述的情况符合条件1，PTX早早就退出了RX Mode(为了省电^_^)。

而我描述的情况符合条件2，ARD设定的不合理，时间太短。

 

那么ARD和ARC如何选取才【安全/合理/高效】呢？

 

最安全的，ARD和ARC全部选取最大配置值，即ARD=4000uS ARC=15

安全倒是安全，但是效率太低了：

4毫秒*15=60毫秒，也就是说，4毫秒之后才会重发一次，60毫秒之后，才会触发MAX-RT IRQ。

冗余等待的时间太长了，一旦偶现通信环境短暂干扰，会严重拉低持续通信的平均传输速率。

 

为了快速重发，ARD的时间长度要尽量短，但太短也不行：

250kBps波特率下，仅仅传输32字节有效数据，就需要花费 (32*8)/250kBps=1024微秒。

再加上数据包里的前导码/地址/CRC等，至少1300多微秒才能传输完毕，所以此时ARD设定值不能小于1500微秒，不然就会触发规则2。

 

所以，ARD在不同波特率下，配置值是有个下限的，即必须保证【最长ACK包也能安全地完整地传输完毕】。

 

数据包传输花费时间有一个精确的计算公式：

 

 

 

 

上图位于datasheet第40页。

 

【air data rate】： 波特率，250K/1M/2M

【package length】：数据包中全部信息的bit数总和

 

ARD的下限值，大家写程序时根据自己的情况套用公式自行计算。

【package length】有个理论上的上限: 8*(1+5+32+2) + 9 = 329 bit。

根据 [(329)/air-data-rate] 计算出的值可以满足各种包长情况下的完整安全传输。

 

至于ARC的选取，就没有什么严格标准了，取1也可，取15也可。

我认为一般取5-6就可以了。

 

【此节完】