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、地址

二、校验码

校验码

PID

一、地址

由无线通信的基本原理可知，当nrf2401发送数据给对端模块的时候要发射电磁波，这本质上是一个像四周空间广播的过程。
既然是广播，只要是有效距离范围内的任意一个处于接收状态的nrf2401模块，都能收到这个信号，那我咋知道我收到的这波数据是不是给我的？


于是"地址"这个概念就出现了：
PTX是主发送端，通信过程由PTX主动发起，发送数据的时候，PTX将表示某个地址的数据附带在要发送的这段数据上，而同时，所有的主接收端即PRX，都在其内部预先存好了一个唯一的地址。这个地址的长度是3到5字节，具体长度是可以通过我们的程序来配置的，3/4/5字节3选1。


PTX发送数据的时候会先将目标地址数据发出去，然后再发送实际的数据；
当PRX识别出有效信号时，会首先从这一长串0101中找出表示地址的那段数据，然后将这个地址和自己设定的地址进行比较，如果相符，则认为数据是发给自己的，继续接收数据，如果不相符，则数据不是发给自己的，直接丢掉，继续等待下一波数据。


目标PRX收到数据只是第一步，如果PRX有数据要回传给PTX，那么它会按照同样的方式，将自己的地址(注意是PRX端的地址，不要搞错)附带在数据前面一并发送出去。由于PTX本来就知道这个地址，所以PTX端遵照同样的接收规则接收回应数据，至此就是一个完整的通信过程。即使PRX没有实际数据要发送给PTX，按照约定规则，它也会回复一份不带有效数据的回应给PTX端，这份回应同样附带地址。


不管是作为PTX还是PRX，我们的程序可以通过nrf2401的SPI接口，按照nrf2401规定的方式，随意修改这个"地址"。但关于地址有几个非常重要的细节要说明：


nrf2401作为PRX的时候，内部最多可以同时存在6个接收地址，可以通过配置【分别启用】或【分别禁用】一个或多个接收地址。如果启用了多个地址，那么PRX接收数据信号的时候，数据中的目标地址会同时和这些地址依次比较，只要有一个地址匹配上了，那么PRX就认为这份数据是给自己的。哪个地址匹配上了，PRX回复时就把这个地址附带到回应数据上。


nrf2401把这6个接收地址相关的东西叫做数据通道(data pipe)，也就是大家在使用库的时候必定要接触的pipe，编号是pipe0~pipe5,故而这个地址也叫pipe address。


前面说过，pipe地址长度可以随意配置成3/4/5字节，但这6个pipe只能共用一种长度配置，不能分别使用不同的地址长度；
pipe0 地址最长可5字节，地址值随意配置，当取3/4字节地址长度时，5字节中使用最低的那3/4字节，高处字节忽略；
pipe1 特点同pipe0;
pipe2~pipe5 地址最长可5字节，但地址值仅有最低字节可以随意配置，剩余的高位字节只能共用/跟随pipe1中配置的值。


PRX虽然有多个数据通道，但需要注意的是，nrf2401只有一个射频模块，任意时候只能接收一份数据。
如果你在多对一通信时使用【多PTX<-->单PRX的多pipe】方案,需要注意错开各自发送时间。
如果同一时刻两个PTX同时向一个PRX发送数据，即使地址不同，两个信号也会相互干扰，导致PRX谁的信号也解不出来。


再来说说PTX端，前面说过，PTX接收回应数据时也要检测地址，PTX使用数据通道pipe0来接收数据（定死的，不能改），所以我们必须【启用】pipe0通道，并为其【配置好地址和地址宽度】，再强调一下，这个地址严格讲不是PTX的地址，而是目标PRX的地址！实际上PTX是没有自己的地址的。


别忘了PTX刚开始发送数据的时候也需要一个地址，按照常理说，pipe0的地址都配置好了，PTX发送数据时就应该知道要发到哪个地址上，但并不是这样：
不知处于什么设计方面的考虑，nrf2401发送数据前必须要给它单独配置一个发送地址(TX_ADDR),也就是说，想要让PTX正确的发送和接收数据，必须将目标地址配置给PTX配置两次（即将一个地址分别写到两个不同的地方），一次是给pipe0的，一次是给TX_ADDR的，这两个地方的值必须一样。


配置地址宽度对PTX来说也是通用的，即对pipe0和TX_ADDR同时有效。


先写这些，字数不多但是里面的细节很多，且都是对写程序非常重要的细节，大家仔细看看。

二、校验码

"地址"可以让到两个nrf2401排除其他节点干扰进行定向的数据传输，但是地址解决不了数据准确性检查的问题，即PRX/PTX收到了对方发来的这一串0101，但不确定信号传输过程中有没有没被干扰过，哪怕只有1个bit被干扰出错了，整份数据就是不可靠的。

校验码

串行通信典型如串口通信，为了防止对方接收到错误的数据，一般会在正式数据末尾添加一些用来校验的冗余数据，这些冗余数据被叫做校验码。根据协议不同，校验码长度一般会取1/2/4字节长度。校验码是【对要发送的数据进行某种数学运算而得到的结果】，运算方法各式各样，奇偶校验/累加和校验/CRC校验等。


发送方发送数据之前，先对数据进行校验码计算，然后将检验码附在数据尾部，一并发送出去；
接收方收到数据之后，根据约定格式取出数据部分，然后使用相同的计算方法自己再算一遍校验码；
算出校验码之后，接收方再把数据附带的校验码和自己算出的校验码相比较，值相同则数据是正确无误的，不同则认为数据被污染了，不可信。


nrf2401使用的就是CRC校验，CRC校验有根据校验码长度分为CRC8/CRC16/CRC32,校验码长度分别对应1/2/4字节。nrf2401支持CRC8/CRC16，通过配置寄存器的方式，我们可以让nrf2401二选一。


除此之外，为了让接收方能更可靠的识别出数据流，nrf2401在每份数据之前还加了8bit长度的前导码，类似于串口通信协议中的帧头，前导码的值是精心设计的，定死的。


再除此之外，还记得【4.nrf2401数据传输原理第二讲】中提到的每次发送有32字节最大长度限制么，这并不是说每次发送数据必须发送32字节。如果这次我只有1字节要发送，非得凑够32字节是纯粹的浪费。


nrf2401是可以支持动态数据长度的(当然需要配置寄存器)，每次发送的数据的长度，只要不超过32字节都是可以的。既然有了动态包长，为了让接收方知道这份数据有多长，当然需要把数据长度的相关信息也要一并附在数据里啦。


好了，到现在为止，我们在一个数据包里发现了【前导码/地址/数据长度/实际数据/校验码】，这个格式很好很强大，是不是很完美？

PID

骚年，要是你认为它很完美，说明你还是太天真了。


我们来假设一个场景（下文看着有些晕的同学，请再认真看一遍【4.nrf2401数据传输原理第二讲】）：


某时，我作为PRX有64字节的数据要回传给PTX，很明显，至少要分两次才能传输完毕，为了方便描述，我在这里用数据包A和数据包B代指，A先B后；
现在我收到了PTX的数据，记作PTX甲包，假设校验通过，那么我会将A包作为回复发送给PTX，然后准备等下次通信的时候回复B包；
过了一会儿，PTX又发来了一个数据包，正常来说我应该回复B包给对方了。
但是等等！直接回复B包可以么？

我怎么知道我第二次收到的这个包是【一个新的PTX乙包】还是【刚才PTX甲包的副本】？要知道第二种情况是可能发生的，如果我回复的A包传输过程中除了问题，导致PTX没收到，PTX等待超时之后会重新发送PTX甲包的。

很明显，如果PRX在收副本包的情况下依然回复B包，对于PTX来说，A包的数据实际上已经丢了，不可恢复。

所以，如果PRX检测出新收到的是PTX甲包的副本，必须重新发送一次A包才可以。

那PRX如何检测新收到的包是不是PTX重发的副本呢？只能是再在数据包里添加字段了，我们把这个新字段称为PID(package ID)。


PID是一个2bit的字段，数值范围 0/1/2/3.

当PTX首次发送数据包给PRX时，PTX将PID设置为0，附带在数据中发送出去；

PRX收到数据之后，取出PID和CRC校验值，拿出小账本记一下这俩值，然后正常回复PTX；
PTX收到PRX的回复之后，将PID加1，附带在第二份新数据中发送出去，而如果没收到PRX回复导致超时，重发旧数据的时候，PID保持不变，发送数据副本；
PRX再次收到了PTX的数据，取出其中的PID和校验值，然后打开自己的小账本，将本子上写的值和它们相比较；
如果PID相同而且CRC校验值也相同，那么PRX就知道这是一个重发的数据副本，就会将刚才回复过的数据重新回复一次；
如果但凡有一个不同，则PRX认为这是一个新的数据包，然后正常回复新数据给PTX。


datasheet上截取的流程图，很直观：

至此，更新过后的数据格式为：【前导码/地址/数据长度/PID/实际数据/校验码】,这下就很完美了。
下图是从datasheet中截取的数据包格式示意图：

里面有个没提到的 NO_ACK bit，这个没多大用处，讲起来又很费劲，略过。


前面说了这么多操作，包括地址检查、数据校验、重发控制、长度检测、副本判断等等一些列操作，都是nrf2401自主完成的，我们的程序只需要配置好相关的寄存器，给nrf2401写入要发送的数据，剩下的这一些列操作都是由它自己来完成的。


【至此，数据传输原理算是写完了，期间我一直避免牵扯到具体的寄存器或操作时序之类的细节，好让大家从感性上理解nrf2401的工作原理，但我知道，这样的写法只能让你理解工作原理，对写程序仅有理论上的支持，没有直接的代码级别的帮助，所以，从下一节开始，我会贴近官方datasheet，写一些对写代码有直接帮助的内容。】