LoRa开发3：终端驱动设计

1 引言

从表面看，终端驱动就是MCU通过读写SX1278的寄存器，实现射频收发功能。然而，一个优秀的驱动设计，至少满足以下设计目标；最具喜挑战的是，有些目标是相互抵触的。

提供机制：区分策略和机制，驱动仅提供机制，由用户进程实现策略；

接口简单：接口越简单，驱动越好使用，另外，更好实现“高内聚、低耦合”；

提高效率：最大化硬件设备性能，是驱动的重要使命；

节能内存：内存复用和指针传递等方法可以节省MCU宝贵的内存；

易于移植：能在不同的MCU之间低成本移植，该驱动就越优异；

稳定可靠：驱动是硬件和系统软件的黏合层，不能有任何差错。

2 系统层次结构

如图2-1所示，除contiki系统外，应用层也需要调用sx1278 driver，一个典型实例见图2，contiki协议栈依赖radio实现对应功能，应用层也需要设置radio参数和获得RSSI与SNR值。

图2-1  radio相关的系统层次

图2-2 分层系统调用实例

3 接口设计

MCU与LoRa硬件接口如图3-1所示：MCU通过SPI总线与LoRa进行通信，包括设置参数和读写FIFO；当LoRa有异步事件发生时，它通过6根连接线DIO0~DIO5中断MCU；MCU为判断接收和发送数据包是否超时需要设置TIMER，该资源LoRa不需要，仅被MCU所用。

图3-1  MCU与LoRa硬件接口

细化图3-1的设计可以得到图3-2所示驱动：DIO除初始化函数化，还需要DIO0~DIO5对应中断服务函数；SPI需要初始化和输入输出函数；TIMER需要初始化、启动和停止函数。

为方便移植LoRa到不同的MCU，特地将驱动设计成2部分：sx127x_src.c和sx127x_ports.c，前者为LoRa操作函数，后者提供图3-2所示接口。

图3-2  MCU需要提供的硬件驱动

Radio driver为尽可能好地实现功能，它提供如图3-3所示的回调函数接口，当事件（如接收数据包）发生时立即调用对应的方法。

图3-3  radio回调函数

radio一般都有自己的参数，LoRa也不例外，因此提供了图3-4所示的设参接口。

图3-4  LoRa参数设置

4 数据结构

1.  发送数据包

如图4-1所示，发送数据包不用另外开辟内存，直接从tx_process拷贝数据到LoRa FIFO之中。即使本次发送失败（如返回发送超时），也可以实现重传（FIFO和寄存器值仍得以保留）。

图4-1 发送数据包

2.  接收数据包

为节省宝贵的内存，驱动程序通过图4-2的回调函数GetBufPtr()从用户进程获取缓存区指针，然后将接收数据包复制到该缓存；再执行回调函数RxDone()，让用户进程执行所需的逻辑（如：通知其他进程解析该数据包）。

图4-2 接收数据包

5 时序逻辑

为了高效实现radiodriver，引入了中断和定时器机制来实现发送和接收数据包。因为LoRa是半双工通信，只需要使用1个定时器即可用于检测发送和接收是否超时；另外，根据LoRa芯片特性，当事件发生时会产生引脚的电平翻转信号，MCU需要捕捉该中断。

图5-1～图5-7显示了发送、接收和CAD时7种时序。

#1：停止定时器；

#2：使SX1278进行休眠状态，节省电能；

#3：执行回调函数TxDone()，让用户进程执行所需逻辑；

图5-1 发送成功

 

#1：使SX1278进行休眠状态，节省电能；

#2：执行回调函数TxTimeout ()，让用户进程执行所需逻辑（定时器已经关闭）；

图5-2 发送超时

 

#1：清除SX1278的中断标志位CRC_ERROR;

#2：关闭定时器；

#3：执行回调函数RxError()，让用户进程执行所需逻辑；

图5-3 接收错误数据包

#1：计算SNR(信噪比)和RSSI(接收信号场强值)；

#2：从SX1278的硬件FIFO复制数据包到用户进程的RAM缓冲区；

#3：关闭定时器；

#4：执行回调函数RxDone()，让用户进程执行所需逻辑；

图5-4 接收正确数据包

#1：执行回调函数RxTimeout ()，让用户进程执行所需逻辑（定时器已经关闭）；

图5-5 接收超时

#1：关闭定时器；

#2：获取CAD侦听结果（信道干净与否）；

#3：使SX1278进行休眠状态，节省电能；

#4：执行回调函数CADDone()，让用户进程执行所需逻辑；

图5-6 CAD侦听结束

 

#1：使SX1278进行休眠状态，节省电能；

#2：执行回调函数CADTimeout ()，让用户进程执行所需逻辑（定时器已经关闭）；

图5-7 CAD超时