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LoRa协议在Arduino上的应用——原理及代码分析（一）.

LoRa调制与解调模式

扩频与循环纠错编码相结合

可以看到，LoRa调制模式下，有一个独立的双端口数据缓冲区FIFO，可通过所有模式共有的SPI接口进行访问。
可针对特定的应用优化LoRa调制：扩频因子、调制带宽、错误编码率

先说一下扩频：其实通俗来讲，原来我发送一个信号，这个信号中只包含两个bit10，现在我发送一个信号，这个信号中包含16个bit，这样我就相当于将信号拓宽，扩频因子就是16/2=8。那么我们就可以理解为什么扩频技术是扩展信号的带宽：把信道想象成一个通道，原来一次只能通过两个bit，现在一次性可以通过16个bit，信道是不是变宽了？

但有一点需要注意，就是扩频前后信号的能量是不变的
至于扩频的好处：可以根据香农公式，在相同的信息速率下，带宽和信噪比可以互换，扩频就是用大带宽，换接收端信噪比的低要求

再来看下循环纠错编码：
其实就是使用纠错编码中的循环码：网上资料很多，不赘述了

代码分析

主程序

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

开始发包

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;
}

在头文件中，已经设置implicitHeader默认为false，因此会进入explicitHeaderMode()函数

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

可以看到这个函数就是把原来调制模式配置寄存器中的数值读出来，将最后一位设置为0，表示Explicit Header mode，然后写回。

Packet Structure

LoRa的数据包包含三个部分：

1. A preamble：前导码
   用于保持接收机与输入的数据流同步，作用是提醒接收芯片，即将发送的是有效信号。默认size是12个符号长度，有时为了缩短接收机占空比，可以缩短前导码长度。接收机会定期检测前导码，因此接收和发射前导码长度需要一致。
2. An optional header
   可以选择显示（explicit）或隐式（implicit）两种类型。
   显式报头：包括Payload长度，前向纠错编码率，是否使用CRC（16bit）
   隐式报头：需要手动设置无线链路两端的Payload长度、错误编码率、CRC（如果扩频因子SF=6，只能使用隐式报头模式）
3. The data payload
   长度不固定，在FIFO中读写

数据传输时间

LoRa数据包总传输时间 = 前导码传输时间Tpre + 数据包传输时间Tpay
前导码传输时间为：Tpre = (Npre + 4.25)*Tpay
Npre表示已设定的前导码长度（读取RegPreambleMsb和RegPreambleLsb寄存器得到）
计算Payload符号数的公式为：

PL表示Payload字节数，H=0表示header使能，DE=1表示LowDataRateOptimize=1，CR表示编码速率

重置FIFO地址与payload长度

结束发包

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;
}

默认async = false，_onTxDone(NULL)


SX112系列的6个通用DIO引脚在LoRa模式下均可用，其映射关系取决于RegDioMapping1和RegDioMapping2这两个寄存器
第一句代码的意思就是如果处于异步通信状态，且在发射完成状态（此处有疑义），就将DIO0引脚映射为发射完成指示符
设置为发射模式，如果不处于异步通信状态，就等待发送完成，然后清除中断。
这里讲的不是很清楚，我们再来具体看一下：

1. async：意思是异步，是在non-blocking mode下使用的一个变量。由于网关可能不会向后发送任何数据，因此我们在尝试接收之前使套接字成为非阻塞状态，以防止卡在等待永远不会到达的数据包中
   同步、异步、阻塞、非阻塞这四个是进程间通信的概念，进程间通信通过send()和receive()两种基本操作完成：
   阻塞式发送：发送方进程会一直被阻塞，直到消息被接收方进程收到；
   非阻塞式发送：发送方调用send()后，可以一直进行其他操作；
   阻塞式接收：接收方进程会一直被阻塞，直到消息到达可用；
   非阻塞式接收：接收方调用receive()后，要么得到一个有效的效果，要么得到一个空值
   （此处参考文章）
2. void (*_onTxDone)();
   可以看到，这是一个类内私有的函数指针，_onTxDone是一个指针，该指针指向的函数的返回值是void
   初始化时，该指针指向的确实是一个NULL，但是如果执行了这个函数：

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

那么这个指针就不为空，也就是满足这个判断条件：

if ((async) && (_onTxDone))

writeRegister(REG_OP_MODE, MODE_LONG_RANGE_MODE | MODE_TX);

这一句对应的就是上图的Mode Request Tx

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

这一句就是在等待中断

中断源

1. FifoEmpty：当整个FIFO为空，中断源为高，从FIFO检索数据的时候，FifoEmpty在NSS下降沿更新。也就是说每次读取操作之后检查FifoEmpty状态，以决定是否读取下一个字节，FifoEmpty=1表示不需要读取更多字节
2. FifoFull
3. 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已满的情况下，有一个新的字节被写入的时候。数据丢失，并且标志应通过写1清除，同时FIFO也将被清除。
4. PacketSent:when the SR’s last bit has been sent
5. FifoLevel

#define IRQ_TX_DONE_MASK           0x08

只把TxDoneMask置为1，其余全部置为0。而如果要满足while中的循环条件，则REG_IRQ_FLAGS这个寄存器中的第3bit位TxDone必须为0，如果不满足就yield()就是一直执行这个空循环
跳出这个循环之后，就清除中断标志，并且设置TX完成标志位

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;
}

这个函数很长，我们逐步分析。
首先观察返回值，可以知道这个函数是计算数据包的长度
在头文件中默认定义int parsePacket(int size = 0);
也就是说会进入显式数据包模式

#define IRQ_PAYLOAD_CRC_ERROR_MASK 0x20
#define IRQ_RX_DONE_MASK           0x40

接收一个数据包的条件是：从中断寄存器中的读取的数据第6位为0或者第5位为0

读取完数据包长度之后，还需要设置FIFO的地址

具体就是跟着这张图来

是否存在数据包

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

这个看起来有点像串口检测字符的那个函数。。。。。
如果存在数据包，REG_RX_NB_BYTES这个寄存器的值就不为0，就会开始读取数据

数据读取

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

返回从FIFO中读取的数据

RSSI

received signal strength indicator：接收信号强度指示符
常规：
RSSI (dBm) = -157 + Rssi, (高频口)
RSSI (dBm) = -164 + Rssi, (低频口)

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