arduino笔记39：nrf4l01的中断详解

 

前面章节中，中断相关的内容时不时提到，这节详细说一下。
因为前面有过铺垫，所以就不按部就班的啰嗦前戏了，直接进入正题吧。

 

nrf24l01一共3种中断： TX_DS / RX_DR / MAX_RT

• TX_DS : （TX data sent）通知本端主控，我方的数据已经发出去了。
• RX_DR : （RX data received/ready）通知本端主控，我收到了新的数据，你要不要看看？
• MAX_RT: （max for re-transmition）上节详细提过，不赘述了。

 

当任意一个或多个中断发生时，IRQ管脚都会被【nrf24l01主动】拉低，即IRQ管脚低电平触发。
程序知道了IRQ脚变成低电平，只能知道有中断发生了，但并不知道到底是哪个或哪些中断，所以nrf24l01通过STATUS寄存器记录了具体的中断源：

 

 

 

 

如上图，标出的每个bit表示对应的中断，bit=0表示当前没有此中断，bit=1表示当前此中断已经触发。
当IRQ拉低之后，程序读取这个寄存器，就能知道到底是哪个或哪些中断被触发了。

IRQ管脚被拉低之后，即使我们程序读取了STATUS，管脚【也不会自动地】回归高电平，即nrf24l01不会主动清理中断。

清理中断的工作必须由我们的程序亲自来操作，做法是：
【往STATUS寄存器对应bit位上写1】（不要觉得奇怪，这里我没写错，就是写1而不是写0）
只有当前【所有】被触发的中断【都】被清理了，IRQ管脚才会回归高电平。

除此之外，程序可以通过配置寄存器的方式来【分别禁用/屏蔽】这些中断：

 

 

 

如上图，nrf24l01将中断屏蔽位整合到了CONFIG寄存器中，给bit位写1则屏蔽对应中断，写0保持开启。
个人认为，这个屏蔽设计有些轻微脑残，我实在想不出需要把中断屏蔽掉的理由。
之所以在这儿添上这些内容，是为了提醒大家不要【误操作】：
在修改CONFIG其他bit位的时候，不要将中断屏蔽位给误写了，不然程序就再也收不到对应的中断通知了。

 

本节上面的描述中，暗含了一个意思：
IRQ管脚拉低时，可能是某中断单独发生，也可能是多个中断同时发生。
在【Enhanced ShockBurst】工作模式下：
PTX 存在TX_DS/RX_DR/MAX_RT这全部的3种类型的中断。
PRX 只存在TX_DS/RX_DR这2种类型的中断,MAX_RT永远不会出现在PRX端。

 

列一下中断可能出现的【所有的】组合情况：

 

 

 

 

如果上面表格中"说明"一栏你看了之后觉得更"说不明"，那么继续往下看。
MAX_RT的含义以及什么时候出现，前面章节已经详细说过了，这里略过。
只说 TX_DS 和 RX_DR，nrf24l01具体满足什么条件时，这两个中断才会触发？

 

 

 

上面这张图原型来自datasheet的第7章第8节(第39页)。

描述的是在【Enhanced ShockBurst】工作模式下，PTX和PRX之间一次通信过程的详细时序。

通信的最终结果是数据传输完毕，两端分别触发了各自的IRQ。

我加了很多标注，非常详细，这里就不再解说过程了，我相信看这个标注图要比看大段文字更直观。

先去看图，确保看明白之后再往下看，不然也会很晕^_^

 

OK,标注图看明白了，我们继续。

现在从这张图中提炼一些有用的信息：

 

 

- 针对PTX发送的数据，PRX端的RX_DR在时间上要早于PTX端的TX_DS

 

这个结论也许让你有点意外，但确实是这样。
因为PTX端对通信管控负有更多的责任，必须收到对方的ACK之后才能确认自己发的数据被PRX收到了，才能放心的触发TX_DS。
而PRX不管这些，只要收到数据就触发RX_DR。

 

- PRX端的程序要好好利用回复ACK之前的这130微秒时间段

这句话里的【130微秒】指的是: 从【PRX触发IRQ】那一刻 到 【开始发送ACK包】那一刻之间的【PLL Lock】时间段。
我把这个时间段叫做【PRX的黄金时刻】。

 

这个时间段有什么特殊的地方？

如果PRX在这个时间段内，能把一些数据及时地塞进自己的TX FIFO里，那么Auto-ACK时，ACK包里就能带上这些数据！
这意味着，就在PTX端触发自己这边TX_DS的时候，就会收到这些数据，RX_DR必定会触发。
而如果PRX错过了机会，例如当ACK开始发送的时候，SPI上的数据还没写完，那么这次Auto-ACK就没机会捎上这些数据了。
这样的话，PTX想收到这些数据，必须等到下次通信了，时间被大大延后了。

 

假设这样一种应用场景：
PTX端是遥控设备(比如无线手柄)，PRX端是受控设备（比如遥控小车/机械臂）。
遥控器时常发送一些指令(本质是一些约定好协议格式的数据)，用来 查询/修改/操作 受控设备；
受控设备收到指令后，读取/解析/执行 指令，而且必须回复遥控器，例如回传查询结果/确认动作执行完成/参数修改成功等。

注意受控设备的工作逻辑，它是收到指令之后才去执行的，而且要及时回复数据给遥控器。
我们假设这些指令都很短，最长也不超过32字节，所以nrf24l01单包传送就能搞定。

 

这样的场景很常见吧？
受控设备(PRX)的工作逻辑决定了： 只有本端RX_DR IRQ触发以后，PRX才能知道该回复什么数据给PTX。
由此可知，想要最高效的回传数据，必须好好利用上文的【130微秒黄金时段】。

 

我们先看一下在上述场景中程序对RX_DR IRQ的一般化的处理过程：
（1）IRQ触发中断处理程序
（2）SPI访问STATUS寄存器，确认中断源为RX_DR (其实这步可以省略，PRX端IRQ响了，里面必定会有RX_DR的)
（3）SPI读取RX FIFO得到指令数据，读入RAM
（4）SPI写STATUS寄存器，清理中断源
（5）识别/解析/执行指令，然后生成回复数据
（6）SPI将回复数据写入TX FIFO
（7）处理结束

 

只要以上(1)-（6）步骤能在130微秒内全部完成，程序就能做到理论上的最快回复。
在回复数据长达32字节(当然要讨论最坏的情况)的情况下，能实现130微秒全部搞定么？

假设步骤1非常快，时间忽略。
步骤2/3/4/6的耗时和SPI的时钟速度有直接关系。
步骤5的耗时和nrf24l01无关，只和具体的程序逻辑有关。

步骤2使用NOP指令最快，SPI上要走2个字节。
步骤3根据【9. nrf24l01的数据缓冲区】这节中的内容可知，一对一通信SPI上【最多】要走大约2+33=35字节。
步骤4，SPI上要走2个字节。
步骤6，最长回复时，SPI上要走33字节。
加起来是2+35+2+33=72字节。

如果SPI的时钟速度是8MHz(对nrf24l01来说基本就是安全上限了，不要再高了),那么耗时72微秒。
还有各条命令中间CSN电平保持间隔以及杂七杂八的开销，估算10微秒应该够了。
这样就已经消耗了82微秒了。

这里提醒一下，就算你用的不是arduino,而是CPU时钟高达72M的stm32f103,这80多微秒是无法再减少的。
你的单片机再快(往往其片上SPI也会很快)也得适应nrf24l01上SPI接口的要求不是？

 

留给步骤5的时间：130-82=48微秒，约50微秒。
如果程序设计合理的话，我认为这些时间足够可以计算出回复数据了。
除此之外，还要考虑整个过程被其他中断打断的情况，这会增加额外的耗时。

如果SPI的时钟为6M甚至更低，130微秒几乎就不够了。

 

- PRX端TX_DS IRQ对分包传输的影响

再假设另外一个应用场景：
PRX作为环境数据采集终端，有一堆传感器，实时监测温度/湿度/光照等一些物理参数，每隔一分钟采集一次传感器数据；
PTX作为这些数据的接收终端，每隔十分钟从PRX取走它积攒的数据，后续用于存储/显示/统计/分析等用途。

 

在这里我们先不纠结【采集终端作为PTX还是作为PRX哪个更合理】以及【为啥不每隔一分钟就取走一次数据】的问题，
只关注在上面已设定好的方案中【数据传输】方面的问题。

 

十多次采集积攒的数据量肯定不少。
把这个场景提炼一下，其实就是： 怎样把大量的数据(大于32字节)从PRX端完整传输到PTX端？

结合本节前面的内容，方案就很明显了：
PRX端将数据拆包，然后通过多次Auto-ACK的方式，把数据传给PTX，PTX端再把分包数据还原。

假设要传输70字节有效数据，则需要拆分成3个数据包，列一下基本流程：
（1）PTX向PRX查询有多少数据要传送
（2）PRX通过查询包的Auto-ACK将长度信息回复给PTX
（3）分包依次传输这些数据，总共3次 (长度拿到了，PTX自然知道会有几包数据)
（4）PTX收到最后一包有效数据后，还必须给PRX发一个确认包，通知PRX：你的数据我已全部收取。

 

步骤4是必要的：
PRX【必须】要知道它的最后一包数据到底有没有被PTX收到，这样才能确认数据全部发完了。
PRX【只能】通过本端 TX_DS 中断才能确认某次数据传输（附带在Auto-ACK中的有效数据）OK。
PRX端的 TX_DS 触发依赖于 PTX端 【再多启动一次】通信，这就是上面所说的【确认包】。

 

我把完整的过程做了一张时序图：

 

 

 

 

- 【PRX对PTX的分包传输机制】对PTX端【应用数据】传输效率的影响
先定义一下什么是【应用数据】： 双方传输的那些数据中，和具体通信手段无关的那些数据被称为【应用数据】。
这里先声明一下，"应用数据"这个词是我为了描述方面而自造的词，不是标准的术语。

有一个更简单的辨别方式：就算通信模块被替换了，双方依然要传输的那些数据就是应用数据。

比如我们用串口或者蓝牙替代nrf24l01来通信，通信双方依然需要传输某些数据，且数据格式是不变的。
在【遥控器和小车】的场景里，控制指令就是应用数据，小车响应查询指令回复的查询结果也是应用数据。
在【环境数据采集】的场景里，采集到的温度湿度光照等也是应用数据。

 

再回到PTX/PRX，上面那个时序图中，【查询数据长度】【取数据】【确认结束】这些包不是应用数据。它们仅仅是【为了分包传输应用数据】而衍生出来的，这里我给他们起个自造的名字：【传输控制数据】。如果你用串口线把无线模块替换掉，那就没有这些东西了。

 

也就是说，在nrf24l01眼中的，【有效数据】其实分为两种：【应用数据】和【传输控制数据】。
【传输控制数据】是属于【传输层】（这个是标准术语^^）层面的东西，和具体的应用无关。
【应用数据】是属于【应用层】（这个也是标准术语^^）层面的东西，和具体的通信媒介/通信手段无关。

 

好了，现在铺垫内容介绍完毕，开始说正题：
对传输效率的影响第1项： 一些冗余数据(【传输控制数据】) 的加入会降低【应用数据】的平均传输速度。
对传输效率的影响第2项： PTX在发送应用数据时，TX FIFO的32字节不能都用掉，必须留一部分空间给协议控制使用。

 

解释一下第2项：

PTX端程序在写入TX FIFO时，当然知道写入的数据是应用数据，PRX收到后通知程序，PRX端的程序读出数据。
但PRX端的程序只知道这是有效数据，却不知道这到底是应用数据还是传输控制数据。
数据的属性是必须区分的，应用数据要送去上层处理，而传输控制数据不能往上层送，要内部处理掉。

 

因此，一包最长32字节的有效数据中，要至少留出一个字节的位置来标识数据的属性：即到底是【应用数据】还是仅仅是【传输控制数据】。
例如PTX在写TX FIFO时，如果写的是应用数据，TX FIFO第1个字节写0x00，表示后面31字节数据均是应用数据；
而如果写入的是传输控制数据，那么TX FIFO的第1个字节要写0x01,表示后面的31字节数据是传输控制数据。

PRX端的程序在读出这份数据后，发现第1字节为0x00，那么就知道是应用数据，取出后送往上层，否则当传输控制数据去解析处理。

当然，这个额外要求只是针对PTX的，PRX在回复数据的时候不需要这样做，32字节空间随便用就好。
因为PRX是【主接收端】，只是被动响应，主动权在PTX手里，PRX回复什么完全是应PTX的要求。

所以PTX对于收到的Auto-ACK数据是什么非常清楚。

 

 

【
温馨提示：
最后关于多包传输的这部分内容，仅仅是我自己根据对nrf24l01 IRQ的了解推演出的一些关于编程方面的东西，只是一个尽量通用的方案。这部分不是官方datasheet的内容。大家编程时仅参考即可，不必拘泥。对于你自己的项目，可以在这些内容的基础上进行简化/改造/升级。
适合自己的才是最好的！
】

 

【把和IRQ有关的，能想到的东西都写了，此节完^_^】