基本结构

引脚定义

SX1280是一个工作在2.4GHz(ISM频段)的半双工收发器。芯片引脚定义如下：

Pin Number 引脚名称 I/O类型 功能
0 GND - -
1 VR_PA - 功放的稳压供电
2 VDD_IN I 设备稳压供电，连接到Pin12
3 NRESET I 复位信号，低电平有效，内部上拉为50kΩ
4 XTA - 参考振荡器或温补晶振输入
5 GND - -
6 XTB - 参考振荡器
7 BUSY O 忙信号
8 DIO1 I/O 数字IO
9 DIO2 I/O 数字IO
10 DIO3 I/O 数字IO
11 VBAT_IO I 数字IO供电（1.8V至3.7V）
12 DCC_FB O 片内稳压输出
13 GND - -
14 DCC_SW O DCDC开关电源输出
15 VBAT I RFIC的供电（1.8V至3.7V）
16 MISO_TX O SPI slave output_UART TX
17 MOSI_RX I SPI slave input_UART RX
18 SCK_RTSN I SPI 时钟_ UART请求发送（Request to Send）
19 NSS_CTSN I SPI 从机选择_UART 允许发发送（Clear to Send）
20 GND - -
21 GND - -
22 RFIO I/O 射频发射/接收 IO
23 GND - -
24 GND - -

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SX1280的一些关键的参数

  • 供电：1.8~3.7V
  • 工作温度：-40~85 摄氏度
  • RF天线功率 ：最小输出-18dBm 最大输入12.5dBm
  • 数字IO： 最大输入/输出电流 2.5mA

硬件模块结构

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通过SPI或UART，发送对应的opcode+data的形式来控制这个模块。模块大致分为5个部分，模拟前端用于调制和发射频带信号，绿色的是数字调制部分，可产生不同调制的信号。Data Buffer用于存放接收的和待发送的数据。和 Protocol Engine用于硬件实现一些通信协议。

在供电方面，SX1280有两个独立的供电模组：DC-DC和LDO，默认情况下，仅开启LDO做为供电，但DCDC电源可在FS，RX，TX模式下启用，来承载更高的功耗。如果要想启用DCDC电源，则需要在12和14引脚之间接一个15uH的电感并将DCDC和LDO并联做为VDD。在DCDC被并入供电时，可在待机模式时切换启用和关闭DCDC供电。

SX1280的几种工作模式

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STDBY（待机）模式

该模式有两种时钟源，分别是13M的RC振荡器和外部晶振XOSC，可以用命令 $SetStandby(oscillatorMode)$ 来进行切换。当选用XOSC作为时钟源时，自动切换为DCDC模块供电。也可使用如下命令手动设置供电：

1
SetRegulatorType(regulatorType); //该指令仅可在STDBY_RC模式使用

Frequency Synthesis (FS 频率合成)模式

在FS模式下，模拟部分的PLL会按照设置的Tx开始震荡，当震荡稳定时，BUSY引脚就会变成低电平（标明设备已准备好接受指令）

在SX1280的设计中，RX和TX的频率是不同的，RX的频率等于Tx的频率（i.e., 锁相环产生的频率）减去中间频率(Intermediate Frequency IF)，IF默认是1.3MHz。

Receice（接收）模式

在接收模式下除了FS模式启用的PLL外，片上LNA，相干器，和对应的解调器（LoRa/FSK/FLRC）都会开始工作。接受模式可设置为连续接收（continuous mode）和单次接收（single mode）。在连续接收模式下，模块会保持接收模式。在单次接收模式下，模块会在一次接收完成后返回STDBY模式。

接收模式通过官方驱动的SetRx函数来设置，其输入参数periodBase是指的时钟振荡周期，periodBaseCount是指的历经多少次时钟震荡算超时。当超时时，会从Receive mode 返回至 STDBY_RC mode。

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SetRx(periodBase, periodBaseCount); //Opcode 0x83

Transmit（发送）模式

发送模式会在信号放大器（PA）启动完成后，发送待发送的数据包。在发送完成后自动返回STDBY_RC模式

Sleep（睡眠）模式

睡眠模式下，只有睡眠控制器模块和可选的64KHz RC时钟工作。睡眠模式仅能从STDBY_RC模式下进入。

唤醒的方式有：

  • NSS（Pin 19）变成低电平
  • RTC定时器产生计时结束事件

SX1280在上电时，会自动校准其RC时钟，PLL和ADC，在校准期间BUSY信号会保持高电平，在校准完成后会进入STDBY_RC模式，并使BUSY信号变为低电平以表示准备好接收指令。

上电校准的结果会有寄存器存储，因此在休眠模式被唤醒时无需再次校准。

串口通信

Sx1280使用串口发送opcode的形式来控制模块，串口可使用UART或SPI，二者发送命令和支持的功能（如校验、流控）有些许差异。详细介绍如下。

使用UART和模块建立连接

  • 波特率：该模块支持的波特率有921.6K，460.6K，115.2K，57.6K，38.4K，19.2K，9.6K。 在上电时，默认以115200工作，通过配置寄存器更改其他波特率
  • 停止位：模块支持1或2个停止位，通过寄存器配置，上电默认一个停止位
  • 仅支持8byte数据
  • 模块支持奇偶校验、无校验
  • 模块支持在Rx满，Tx空，奇偶校验错误或无停止位时，产生中断

使用UART和模块通信时，主机必须提供长度信息，模块一旦接受到所需长度的信息，就会开始处理任务，命令格式通常为：opcode+后续长度+后续参数

举个例子，在UART执行写寄存器的操作时，必须发送操作码+要写的首地址+数据的长度+数据+….+数据n。如下图所示

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在使用UART进行读寄存器时，发送完操作码+要读的首地址+数据的长度后，主机RX线便会收到从机的数据内容。如下图

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在使用UART指令时，模块一收到opcode就会将busy线拉高，然后在接收后续长度指定的命令个数后，将BUSY线重新拉低进行命令处理。

使用SPI和模块建立连接

  • NSS引脚变成低电平使能，高电平失能
  • MOSI 由主机在 SCK 下降沿时产生，并由从机在 SCK 上升沿时采样。 MISO 由 SCK 下降沿的从机产生。
  • 通信时钟SCK最高频率为18MHz

使用SPI和模块通信时，无需提供命令长度，以NSS信号线被拉高来结束一次通信即可，即，命令格式为：opcode+后续参数

举个例子，在SPI执行写寄存器时，只需发送操作码+要写的首地址+数据+…+数据n，相较于UART无需发送数据长度。由NSS信号被拉高来标明当前写操作结束。

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在使用SPI执行读寄存器时，要发送操作码+要读的首地址+NOP（0x00），MISO线才开始传输数据。也就是说，UART内数据长度的位置需要用一个NOP来顶替，以此达到一个延时等待响应的目的。如下图

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硬件

Data Buffer

片上Data Buffer有256Byte，用于存放待发送数据或接收数据，其如何分配是可编程的。可使用官方提供的接口来指定TX和RX所用buffer的基地址。除睡眠模式外，任何工作模式均可访问该buffer。

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接收数据对Data Buffer的写入

接收数据时，数据由 rxBaseAddress （也就是图中蓝色区域，SetBufferBaseAddress()指向的地方）开始写入，向上生长。然后由 RxDataPointer 指向数据顶部地址。在一开始时，RxDataPointer = rxBaseAddress 。

发送数据读取Data Buffer的方式

在切换到传输模式时，会先由setPacketParam() 中的 payLoadLength 参数指明待发送的数据长度，然后由数据指针 TxDataPointer 初始化为 TxBaseAddress 的地址，发送一个字节自增1，直到发送的字节等于payLoadLength为止。

模拟信号收发前端

接收

  • 自动增益控制(Automatic Gain Control AGC)

    用于确保接收机增益被设定成最佳的值来接收信号。可以通过以下寄存器配置：

    image-20240120010721928

人工配置增益时，寄存器数值于增益对应关系如下：

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  • 低功耗模式和高感模式

收模式分为低功耗模式和高灵敏度模式，通过配置寄存器0x891的bit6:7来控制。设置为3(11)的时候，为灵敏度模式，设置为0(00)的时候为低功耗模式

片上RC震荡器

片上RC振荡器有64KHz和13MHz两个频率，64KHz的用于休眠模式时钟，13MHz用于SPI或UART通信

RC振荡器需要在上电或环境温度发生变化时进行校准。校准使用：

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//首先配置需要校准的，选项如下:
 calibParam.ADCBulkPEnable = 1;
 calibParam.ADCBulkNEnable = 1;
 calibParam.ADCPulseEnable = 1;
 calibParam.PLLEnable = 1;
 calibParam.RC13MEnable = 1;
 calibParam.RC64KEnable = 1;
//然后调用函数校准
Radio.Calibrate(calibParam); //opcode 0x89

指令操作码（OPcode）

在以下笔记中，所有NOP表示数据0x00，指令顺序中用+连接的是通过不同数据帧发送的不同byte，比如0x01+0x02是先发送0x01再发送0x02

寄存器相关

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
写寄存器数据 0x18 操作码+地址[15:8]+地址[7:0]+数据…+数据n 操作码+地址[15:8]+地址[7:0]+长度+数据…+数据n
读寄存器数据 0x19 操作码+地址[15:8]+地址[7:0]+NOP 操作码+地址[15:8]+地址[7:0]+长度

数据缓冲区(Buffer)相关

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
写Buffer数据 0x1A 操作码+地址偏移+数据…+数据n 操作码+地址偏移+长度+数据…+数据n
读Buffer数据 0x1B 操作码+地址偏移+NOP 操作码+地址偏移+长度

模式切换相关

睡眠模式

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetSleep 0x84 操作码+睡眠配置 操作码+睡眠配置

其中睡眠配置为1byte，但只有低二位有用，其余bit保持0。例如0x01,0x03等：

  • 第0位：如果该位被置1，那么在RAM中的部分数据会被存放进非易失存储器（称为 retention mode）。否则RAM数据被刷新。RAM主要用于存放模块初始化设置，被备份的数据如下：
    • SetPacketType()
    • SetModulationParams()
    • SetRfFrequency()
    • SetDioIrqParams()
    • SetCadParams()
  • 第1位：如果该为被置1，那么Data buffer中的数据会被存放进非易失存储器。否则Data Buffer内数据被刷新。

待机模式

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetStandby 0x80 操作码+待机配置 操作码+0x01+待机配置

其中待机配置为1byte，但只有LSB有用，其余bit保持0，也就是只有0x00和0x01两种：

  • 0x00：STDBY_RC模式，使用13MHz RC振荡器做为时钟源
  • 0x01：STDBY_XOSC模式，使用外部晶振做为时钟源

频率合成模式（FS mode）

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetFs 0xC1 操作码 操作码

发送模式

操作 操作码
SetTx 0x83
SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
操作码+periodBase+periodBaseCount[15:8]+periodBaseCount[7:0] 操作码+0x03(后续长度)+periodBase+periodBaseCount[15:8]+periodBaseCount[7:0]

note：在设置为发送模式前，需要先清除IRQ status

Single Mode Tx： 如果periodBase和PeriodBaseCount都设置为0x00，即，传输指令0x83+0x00+0x00（SPI模式下），那么模块将工作在单次发模式（Single Mode Tx）。在该模式下，不会有超时限制，会在发送一个包之后结束Tx模式。

发送模式的流程： 1. 打开PLL 2. 打开PA（功率放大器） 3. PA根据SetTxParam函数设置的模式，进行上升 4. 待PA上升完成，数据开始分包传输 5.传输完成后，关闭PA，关闭PLL，收发器返回STDBY_RC模式，并产生中断“IRQ TxDone” 6.若传输超时，则中断传输，返回STDBY_RC模式，并产生中断“TIMEOUT IRQ”。

periodBase参数： 这个参数影响RTC时钟一步的计时时长，表如下

periodBase Time-Out step
0x00 15.625us
0x01 62.5us
0x02 1ms
0x03 4ms

PeriodBaseCount参数：该参数有16位，用于指明在计数多少个周期后超时。计算公式如下：

如果该为被设置为0x00，那么直到单个包发送完成之前，都不会退出Tx模式，无超时限制。当单个包发送完之后返回STDBY_RC模式。

接收模式

操作 操作码
SetRx 0x82
SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
操作码+periodBase+periodBaseCount[15:8]+periodBaseCount[7:0] 操作码+0x03(后续长度)+periodBase+PeriodBaseCount[15:8]+PeriodBaseCount[7:0]

note：在设置为发送模式前，需要先清除IRQ status

接收模式的参数意义同发送模式，但它可以设置单次接收模式，连续接收模式，超时模式三种，表如下：

periodBaseCount 超时时间
0x0000 单次接收模式，没有超时时间，但在完成一个包的接收之后返回STDBY_RC模式
0xFFFF 连续接收模式，设备一直保持接收模式，直到主机发送改变模式的命令。每次接收到数据包时，都会向主机发送已接收新的数据包的指示。
其他 超时时间=超时基周期*超时计数数量

举个例子，保持一秒接收模式：0x82+0x03+0x00+0xFA

特殊模式

嗅探模式

操作 操作码
SetRxDutyCycle 0x94
SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
操作码+periodBase+periodBaseCount[15:8]+periodBaseCount[7:0]+
sleepPeriodBaseCount[15:8]+sleepPeriodBaseCount[7:0]		 操作码后面+0x05（后续长度）

在嗅探模式（sniff mode）下，模块会周期性地寻找新的包。在此模式下，用于preamble必须被设置为long preamble mode。因此使用这个指令之前必须使用SetLongPreamble设置preamble模式。

该模式下periodBase同Tx模式中的表。

periodBaseCount：该位用于指明模块唤醒，查询新包的时间

sleepPeriodBaseCount：用于指明模块休眠的时间

  1. 模块会进入接收模式，寻找新的包，寻找的时间由periodBaseCount决定。
  2. 如果接收模式的窗口期内没有嗅探到preamble，模块会进入睡眠模式（设置会被保存）。睡眠时间由sleepPeriodBaseCount定义。
  3. 在睡眠时间结束后，模块会将设置重新存会RAM，并返回接收模式，重新嗅探包。
  4. 当如下事件发生时，嗅探模式会被停止：
    • 在Rx模式窗口期间，接受到了数据包，在接收完成后会产生”RxDone”中断，并返回STDBY_RC模式
    • 在Rx模式窗口期间，收到了来自主机的SetStandby()命令。注意：在sleep模式下无法接收命令

如果periodBaseCount被设置为0x0000，那么又会进入单次接收模式，没有超时限制，模块会保持接收模式直到收到新的数据包，然后返回STDBY_RC模式。设置为其他数据时，periodBaseCount才能用于指定接收的窗口期长度

信道活动检测模式（Channel Activity Detection CAD）

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetCAD 0xC5 操作码 操作码

该模式仅能在LoRa调制下使用。该模式下，模块会寻找LoRa的信号，寻找的Preamble长度由SetCadParams()操作来设置。在寻找结束后，模块会返回STDBY_RC模式。在寻找结束时，设备会产生“CadDone”中断，如果有效的信号被找到了，还会产生“CadDetected”中断

这个模式在需要先收后发的应用中非常实用

参数设置命令SetCadParams()

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetCadParams 0x88 操作码+cadSymbolNum 操作码+0x01+cadSymbolNum

其中，cadSymbolNum用于指明触发CAD的符号数（变相决定了寻找时长），定义如下

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注意：用于CAD的符号数设置为1和2时，错误检测风险较高

基本设置相关

长Preamble模式

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetLongPreamble 0x98 操作码+enable（0x01） -

该指令只能在LoRa模式或GFSK模式使用。这个指令对LoRa的影响是：会修改嗅探模式SetRxDutyCycle的行为，如果有preamble被侦测到，那么RX模式的时间会被拓展为 $sleepPeriod+2*RxPeriod$

自动应答

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetAutoTx 0x98 操作码+time[15:8]+time[7:0] 操作码+0x02+time[15:8]+time[7:0]

部分通信协议要求在收到数据包后发送一个应答包，例如BLE要求在收到数据包后150us发送回应。这个命令就是用来设置自动回应用的。回应延时由time参数控制，由于从RX模式切换到TX模式需要时间，因此需要一个Offset来修正，通常$offset\approx 33us$。延时计算公式如下

time就是输入的time参数，该参数以毫秒为单位。time参数传递0x0001就是1us。

只要这个命令被发送了，那么每当设备进入Rx模式并收到了数据包后，就会自动切入Tx模式，在延时$Tx_{Delay}$后发送一个应答包，然后回到普通模式（例如STDBY_RC模式）。

note:user must issue the command SetAutoTx with 0x00 as the time argument

传输完成后返回FS模式

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetAutoFS 0x9E 操作码+enable（0x01） 操作码+0x01+enable（0x01）

默认情况下，Rx和Tx模式结束后都会返回STDBY_RC模式，如果使用了此命令，那么则是返回至FS模式。这样可以减少切换至Rx或Tx模式的时间。

enbale用于控制该功能是否启用，0x01表示使能，0x00表示失能。

包格式选择

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetPacketType 0x8A 操作码+PacketType 操作码+0x01+PacketType

PacketType参数用于指定调制包格式，定义如下：

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例如：选择LoRa包格式，发送指令为0x8A+0x01

设置包参数

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetPacketParams 0x8C 操作码+param1…param7 操作码+0x07+param1…param7

对于7个parameter，其作用如下：

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在LoRa模式下，几个参数详细定义如下

PreambleLength（参数1）

改Byte由两部分组成，LORA_PBLE_LEN_MANT[3:0] 和 LORA_PBLE_LEN_EXP[7:4]。mant表示尾数，exp表示指数，MANT占低四位，EXP占高四位，它们各自的范围都在[1,15]之间（注意不可为0）。preamble的长度和这两个参数的关系如下：

推荐的preamble长度是12 symbols，也就是将MANT设置为6，EXP设置为1，即可得到该值。

HeaderType（参数2）

Header用于指明LoRa包中是否包含Header，详见LoRa包格式章节。

宏定义关键词 值 Header模式
EXPLICIT_HEADER 0x00 EXPLICIT HEADER
IMPLICIT_HEADER 0x80 IMPLICIT HEADER

PayloadLength（参数3）

该参数值的范围在 [1,255] 之间。用于指明载荷数据的长度。

CRC（参数4）

该参数用于控制CRC使能与否

宏定义关键词 值 CRC使能情况
LORA_CRC_ENABLE 0x20 CRC ENABLE
LORA_CRC_DISABLE 0x00 CRC DISABLE

设置调制参数

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetModulationParams 0x8B 操作码+param[0]+param[1]+param[2] 操作码+0x03+param[0]+param[1]+param[2]

该指令的param参数在不同包格式下有不同意义，此处只介绍LoRa包格式下

  • param[0]：扩展因子SF，值，宏定义和SF间关系如下表
宏定义 值 SF
LORA_SF_5 0x50 5
LORA_SF_6 0x60 6
LORA_SF_7 0x70 7
LORA_SF_8 0x80 8
LORA_SF_9 0x90 9
LORA_SF_10 0xA0 10
LORA_SF_11 0xB0 11
LORA_SF_12 0xC0 12
  • param[1]：带宽BW，值，宏定义和SF间关系如下表
宏定义 值 BW (KHz)
LORA_BW_1600 0x0A 1625.0
LORA_BW_800 0x18 812.5
LORA_BW_400 0x26 406.25
LORA_BW_200 0x34 203.125
  • param[2]：前向纠错编码率CR，CR，值，宏定义和SF间关系如下表
    | 宏定义 | 值 | 编码率 |
    | :——————: | :—: | :——: |
    | LORA_CR_4_5 | 0x01 | 4/5 |
    | LORA_CR_4_6 | 0x02 | 4/6 |
    | LORA_CR_4_7 | 0x03 | 4/7 |
    | LORA_CR_4_8 | 0x04 | 4/8 |
    | LORA_CR_Li_4_5 | 0x05 | 4/5 |
    | LORA_CR_Li_4_6 | 0x06 | 4/6     |
    | LORA_CR_Li_4_7 | 0x07 | 4/8* |

上表中 * 代表长交织。

  • 以上参数详见 LoRa基础 篇

设置RF频率模式频率

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetRfFrequency 0x86 操作码+频率[23:16]+频率[15:8]+频率[7:0] 操作码+0x03+频率[23:16]+频率[15:8]+频率[7:0]

其中，频率(rfFrequency)参数与发射频率间公式如下：

例如：通过SPI发送0x86+0xB8+0x9D+0x89，即可设置rfFrequency=12098953（D），在外部晶振52MHz的情况下，$F_{RF}=2399999832Hz$，即，2.4GHz

设置发送功率

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetTxParams 0x8E 操作码+power+rampTime 操作码+0x02+power+rampTime

power参数用于控制发射功率，SX1280支持的功率范围在-18~13dBm，其与power参数的关系公式如下

也就是说，power参数的范围在[0,31]区间内。

rampTime参数用于控制运放（PA）的上升时间，官方驱动中的宏定义、参数和时间对应表如下：

image-20240215142108205

设置数据缓冲区(buffer)基地址

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetBufferBaseAddress 0x8F 操作码+txBaseAdress+rxBaseAdress 操作码+0x02+txBaseAdress+rxBaseAdress

数据缓冲区rx和tx共享256字节空间，地址从0x00到0xFF之间。详见硬件-Data buffer

选择供电

如果在DC-DC外接电感条件满足的情况下，可以使用该命令切换供电模式。

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetRegulatorMode 0x96 操作码+regModeParam 操作码+0x01+regModeParam

其中regModeParam有：

  • image-20240120040942451

设置UART速率

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetUartSpeed 0x9D 不可用，仅UART能使用 操作码+0x02+UartDividerRatio

其中，UartDibiderRatio是一个4byte数字，它与波特率的关系是：

其典型值如下：

image-20240415151802336

设置测距角色

该命令用于测距的主从角色设置

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetRangingRole 0xA3 操作码+Role 操作码+0x01+Role

其中Role：

  • 0x00：从机（slave）
  • 0x01：主机（master）

是否启用高级测距(AdvancedRanging)

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetAdvancedRanging 0x9A 操作码+Enable 操作码+0x01+Enable

其中，0x00表示disable，0x01表示enable。

获取设备工作状态

获取设备状态

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
GetStatus 0xC0 操作码 操作码

该命令用于检索收发器的状态，任意模式（STDBY，RX，TX）都可以执行该命令。模块会在收到该操作码后返回1byte的设备状态码，状态码定义如下：

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获取当前包格式

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
GetPacketType 0x03 操作码+NOP+NOP 操作码+0x01

模块会在SPI命令的第二个NOP时，向主机发送当前包格式数据。UART通信下，在0x01发送完之后的空隙位返回包格式。

包格式如下

image-20240211172403669

获取Rx缓冲区状态

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
GetRxBufferStatus 0x17 操作码+NOP+NOP+NOP 操作码+0x02

该命令会先后返回最后收到的数据包的长度（rxPayloadLength）和Rx缓冲区的基地址（rxStartBufferPointer）。在发送操作码后，SPI命令间隔一个NOP后开始接收，先接收rxPayloadLength，再接收rxStartBufferPointer。UART命令在发送0x02后开始接收。

注意：当采用LoRa包格式，且设置为Implicit Header（Fixed-length）模式的时候，rxPayloadLength参数会始终返回0x00。因为在这个模式中不存在Header，因此无法提取Payload长度。在这种模式下，要得知Payload长度，直接通过寄存器操作命令，读取预先设置的寄存器即可。

获取当前包状态

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
GetPacketStatus 0x1D 操作码+NOP+NOP+NOP+NOP+NOP+NOP(6个 NOP) 操作码+0x05

使用此命令可以检索有关上次接收的数据包的信息，命令会在SPI模式的第一个NOP后，UART模式的长度码后，开始返回信息。

image-20240215164517698

信息总共有5位。不同包格式返回的信息意义不同，如下图：

image-20240215164255603

对于LoRa包模式下，参数意义如下

  • rssiSync：:Received Signal Strength Indicator，信号强度。一旦检测到同步地址，就会锁存rssiSync值，根据rssiSync可算出真实信号功率：$P=-(rssiSync)/2(dBm)$
  • snrPkt：信噪比，该值由最后一个数据包估计得出。实际SNR和该值换算关系是$SNR=snrPkt/4 (dB)$。如果SNR<=0，那么RSSI值需要修正为：$RSSI_\{packet, real\} = RSSI_\{packet,measured\} – SNR_\{measured\}$

获取当前瞬时 RSSI 值

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
Getressiinst 0x1F 操作码+NOP+NOP 操作码+0x01

该指令会在SPI模式第二个NOP，UART指令发送完0x01后，返回参数rssiInst参数（8位），用于指明当前包的RSSI强度，参数值与强度对应关系如下：

中断

SX1280有16个中断源，每一个都可以单独启用或是屏蔽，每一个也都可以被映射至DIO1,DIO2,DIO3。中断寄存器和中断源如下表：

image-20240215170132747

设置DIO和中断映射、中断使能

操作 操作码
SetDioIrqParams 0x8D

SPI指令顺序：

image-20240215170643786

UART指令顺序

image-20240215170703777

irqMask参数

​ 该参数用于使能中断，1表示使能，0表示失能。参考上方中断寄存器和中断源表，其左边的bit对应的就是该参数。例如，要使能TxDone中断，就需要把irqMask的bit0设置为1，此时，产生中断时，IRQ Register中对应的 TxDone 才会被置1。

dioMask参数

​ 该参数用于标明链接哪些中断到DIO引脚上。例如，如果想要TxDone中断产生时，DIO1引脚也被置1，就需要置位irqMask bit0 来使能中断，然后置位dio1Mask bit0 来链接该中断至DIO1。任意中断都可被映射至所有DIO，对于某一个DIO，当映射至该脚位的所有中断标志都为0的时候，IO输出0，否则输出1（或运算的逻辑）。

获取中断状态

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
GetIrqStatus 0x15 操作码+NOP+NOP+NOP 操作码+0x02

该指令会在SPI模式第二个NOP，UART指令发送完0x02后，先后返回irqStatus[15:8]和irqStatus[7:0]。这是16位IRQ寄存器中的值的状态，对应本小节中最开始的寄存器表。

清除中断标志

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
ClearIrqStatus 0x97 操作码+IRQMASK[15:8]+IRQMASK[7:0] 操作码+0x02+IRQMASK[15:8]+IRQMASK[7:0]

将需要清除的中断在对应的IRQMASK位中置1，即可清除中断。例如，如果IRQMASK的位0置1，则IRQ寄存器中的位0处的IRQ标志清0。

测试命令

发送连续波

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetTxContinuousWave 0xD1 操作码 操作码

该命令会使模块以设置的频率和功率发送连续的波。直到主机发送切换模式的命令之前，设备都会保持在发送连续波的模式中。这个命令对除了FLRC之外的所有包格式都适用。

发送连续Preamble

操作 操作码 SPI模式指令顺序 UART模式指令顺序
SetTxContinuousPreamble 0xD2 操作码 操作码

在GFSK包格式下，这个命令会使得天线发送交变的”0”和“1”。在LoRa模式下，这个命令会发送“0” （也就是LoRa的Preamble）。在主机发送更改模式的命令之前都会保持发送。

驱动LoRa的步骤

初始化设备

  1. SX1280在上电复位时，会默认进入STDBY_RC模式，如果不处于该模式，必须使用 SetStandby 附加 0x00 参数，使其切换至STDBY_RC模式；UART指令为0x80+0x01+0x00；
  2. 使用 SetPacketType附加LoRa包格式的参数（0x01），选择为LoRa数据包格式；UART指令顺序为0x8A+0x01+0x01；
  3. 设置RF的频率，通常设置为2.4G即可，其他值可参照操作码中 SetRfFrequency 章节；UART指令为：0x86+0x03+0xB8+0x9D+0x89，SPI下命令组合为：0x86+0xB8+0x9D+0x89
  4. 通过 SetBufferBaseAddress 指定数据buffer内rx和tx的基地址通过 SetModulationParams 设置LoRa的SF，BW 和 CR
  5. 通过 SetPacketParams 选择LoRa需要使用的Preamble长度（推荐12个符号），Header类型，数据长度，CRC类型，是否反转IQ
  6. 通过 SetTxParam 设置发信输出功率和ramp time
  7. 通过 SetDioIrqParams 使能和映射相应中断

发送信息

  1. 通过 WriteBuffer(offset, *数据) (官方驱动API) 将数据写入 Data Buffer，offset 的值通常设为 txBaseAddress 即可
  2. 通过 SetTx发送数据，直到 TxDone 或是 RxTxTimeout 中断产生，代表发送结束
  3. 清除中断

接收消息

  1. 通过 SetRx 将设备置于接收模式，等待 RxDone 或 RxTxTimeout
  2. 通过 ClrIrqStatus 清除中断
  3. 通过 GetRxBufferStatus 取得 PayloadLengthRx 和 rxStartBufferPointer
  4. 使用 ReadBuffer(offset, PayloadLengthRx) 来读取接受的buffer数据，其中offset = rxStartBufferPointer

测距

基础设置

在测距中，LoRa模块通过地址码来寻找测距对象。因此测距从机需要设置一个自己的地址码。通过WriteRegister函数（操作码0x18），对以下地址进行写入，来设置做为从机的地址。

image-20240415142233755

同时，从机通过设置0x931寄存器的7:6位来选择使能的地址长度

image-20240415144759048

同时，在LoRa通信包和测距-测距引擎一节中，提到需要对RX和TX消耗的时间进行补偿，以及对特定SF，BW，RF下的延迟进行补偿。这个补偿写入在下列寄存器内

image-20240415145736387

驱动步骤

  1. 首先确保设备在STDBY_RC模式

  2. 使用SetPacketType，将模块包格式设置为PACKET_TYPE_RANGING(0x02)

  3. 使用SetModulationParams讲主机与从机设置在同样的SF、BW和CR下。注意：测距不允许使用SF11和SF12，且带宽只能是406.25KHz / 812.5KHz / 1625KHz

  4. 在如下寄存器地址中写入要测距的从机的地址
    image-20240415144842613

  5. 主机使能中断：RangingMasterRestltValid和RangingMasterResultTimeout

  6. 从机使能中断：RangingSlaveResponseDone和RangingSlaveRequestDiscarded

  7. 调用SetRangingRole，分别配置主机和从机的测距角色

  8. 从机使用SetRx切换直接收模式，主机使用SetTx发送测距包

  9. 测距的调制解调器会自动设置主从机在收发过程中Tx和Rx的切换

  10. 测距结果仅能从主机读取，当主机生成IRQ RangingMasterResultValid时，在下列寄存器中读出结果

    image-20240415153404796

  11. 最后一次测距的RSSI结果存储在0x964寄存器内，8位寄存器。换算dBm步骤参见opcode一章中瞬时 RSSI 值小节。

结果滤波

SX1280模块提供一个基于RSSI过滤器，它会筛选掉RSSI小于阈值的测距结果，并将剩余结果取平均值输出。

  1. 首先需要选择使用多少个测距结果做为样本。这需要配置寄存器 Ranging Filter Window Size （0x91E），该寄存器有8位，值限制位8-255，分别对应选择8-255个样本。
  2. 设置样本阈值，小于该阈值的样本将被丢弃。这需要配置寄存器RangingFilterRssiThresholdOffset(0x953)。该寄存器内默认值为0x24。
  3. 剩余的结果将求平均值后写入结果寄存器

该滤波器可以在任何时候进行重置，通过将寄存器Reset Ranging Filter(0x923)写1即可。

结果解算

在读取结果寄存器时，需要配置RangingResMUX（0x924）寄存器的(5:4)bit，来选择寄存器输出原始结果还是RSSI滤波后结果。

  • 00：原始结果
  • 01：滤波结果

此2bit复位值是0x3,也就是读取之前必须写入一次，使之成为上面两个参数二选一。

读出的值可由如下公式换算成m

读取代码如下：

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#define FREEZE_RANGING_RESULT 0x97F
#define RANGING_RESULT_MUX 0x0924
#define RANGING_RESULT_23_16 0x961
#define RANGING_RESULT_15_8 0x962
#define RANGING_RESULT_7_0 0x963
SetStandby(STDBY_XOSC);//第一步：切换为外部时钟
WriteRegister(0x97F,ReadRegister(0x97F)|(1<<1);//使能LoRa存储模块时钟,通过对0x97F第二位写1。
WriteRegister(0x0924,(ReadRegister(0x0924)&0xCF|((resultType)&0x03)<<4));//将0x0924内的值与1100,1111与。
//相当于将bit5 bit4设置为00,再将resultType变量内定义的值填入。设置读取的值类型。
valLsb=((ReadRegister(0x0961)<<16)|(ReadRegister(0x0962)<<8|(ReadRegister(0x0963)));//读取Ranging Result
SetStandby(STDBY_RC);

LoRa通信包和测距

在使用LoRa通信时，扩频因子（SF）和带宽（BW）必须在链路的发送侧和接收侧预已知，因为不同的扩频因子彼此正交

使用LoRa调制解调时，灵敏度和速率如下：

image-20240120042818216

image-20240120042827446

LoRa 通信包格式

LoRa调制有两种包格式，无论是哪种格式，preamble都是必须的。preamble用于接受信号的时钟同步，其基础长度为4.25个symbol （LoRa自动添加），冗余长度可在[8, 61444.25] 个符号编程。因此preamble的符号长度为[12.25, 61444.25]范围内。在LoRa基础一章中，已经介绍LoRa的包长度为$2^{SF}$，也就是下面两图的总symbol数是$2^{SF}$个。

两种格式如下：

  • Explicit Header Mode（default）

    image-20240123175952581

    Explicit格式如图所示，相比于Implicit Header Mode，它多一个8个symbol长的header，其包含三部分：

    • 有效码字(payload) 长度
    • 前向纠错码编码率
    • 16bit-CRC是否使能

  • Implicit Header Mode

    image-20240123175412975

如果有效码字(payload)长度、前向纠错编码率、CRC使能状态已知，则可以省去header。此时有效码字(payload)长度、前向纠错编码率、CRC使能状态必须在通信链路双方进行手动预配置。

LoRa测距包格式

image-20240124010130578

测距的包格式如上，其包含一个指定的测距Header，包含了测距指令+测距ID+2bit的CRC。Rangging symbols内包含测距同步信息和时钟同步信息。LoRa规定测距时SF的范围是[5, 10]，带宽BW范围是[400KHz, 1.6MHz].

主机视角测距过程如下：

image-20240124010545561

从机视角测距过程如下：

image-20240124010621166

测距引擎

测距误差的来源

  • 主、从设备的时钟频率不一致

  • 数字和模拟调制模块对信号产生了延迟，这种延迟需要手动补偿

  • 多径效应

针对以上误差，官方建议以交换主从设备，测好几遍来进行补偿。一个测两遍的补偿例子如下：

官方给出了交换测距次数和测距误差的关系图( SF9 1600 kHz 条件下)

image-20240124020804572

距离分辨率

LoRa的最小距离分辨率由如下公式计算得到：

其中c是光速，BW是设置的带宽(与SF有关)

2倍测量距离（也就是飞行时间换算出的距离）和$D_{LSB}$可以由如下公式转换：

RxTx造成DELAY的补偿

在初始测试时，需要在一段已知距离为D的空间内进行测距，来确定距离补偿误差。补偿误差可由如下公式计算：

补偿时间可由如下公式进一步算得：

SEMTECH公司给出了一部分已知的Delay补偿值：

image-20240124014924763

在LoRa中，TxRx延迟的补偿是自动的，补偿值（Calibration）必须被写入RxTxDelay寄存器

时钟误差产生的测距误差的补偿

LoRa在收发信号时，有一个频率误差指示器，由于射频信号的频率是参考各自的晶振频率产生的，因此可以使用LoRa频率误差指示器（FEI）对主设备和从设备之间的频率误差进行简单的频率误差测量，以准确评估定时误差和等效距离误差。其中官方给出的距离误差如下：

image-20240124015930104

官方给出的BW和SF对测距精度的影响如下：

image-20240124020345728

官方宣称在视线内，它具有和激光测距同等的精度。下图红色表示激光测距仪的误差范围。

image-20240124020611211

测距参数设计准则

LoRa测距，SF和BW会影响广播时间(直接影响功耗)和测距距离，其关系图如下：

image-20240124021355928

可以看到SF影响测距距离，BW影响广播时间。当这俩个参数都最大时，测距可有最高精度。

超短距离(<18.5m)的补偿

在小于18.5m时，LoRa测距会非常不精确，STMTECH给出了以下补偿公式：

补偿效果图如下:

image-20240124021812831

测距的计算：

image-20240124022454968

image-20240124022730601

一个例子：配置测距参数如下，得到如下测距结果：