MN87400/401
フレーム送受信方法
パナソニック(株) AIS 社 セミコンダクター事業部
目次 1 本アプリケーションノートの目的...3 2 送信手順...3 2.1 基本的な送信方法...3 2.1.1 キャリアセンスなし送信...3 2.1.2 キャリアセンスあり送信...4 2.1.3 ACK期待送信 ...4 . . 2.2 フレームメモリへのデータの設定...5 2.2.1 INFOデータの設定 ...6 2.2.2 SFDデータ設定 ...7 2.2.3 PHRデータ設定 ...7 2.2.4 MACBODY設定 ...8 2.3 ACK期待設定...9 2.4 送信開始...10 2.5 送信完了と失敗...10 3 受信手順...12 3.1 基本的な受信方法...12 3.2 受信開始割り込み...13 3.3 受信完了割り込み...13 3.4 受信失敗割り込み...13 3.5 フレームメモリからのフレーム読み出し...14 3.6 バッファクリア処理...15 3.7 ACK自動応答...16
1 本アプリケーションノートの目的
MN87400 および MN87401 にてフレームを送受信する際に必要な設定やシーケンスをまとめたもの である。 送受信する際の初期設定は、別アプリケーションノート(AP_MN87400_004_基本設定例)の 920MHz の基本設定がされているものとする。 設定内容は下記の通りである。 SFD 長=2 バイト PHR 長=2 バイト CRC 長=4 バイト(ハードで自動付加)2 送信手順
2.1 基本的な送信方法 2.1.1 キャリアセンスなし送信 フレームを送信する際には、送信するフレームのINFO,SFD,PHR、フレーム本体を送信用のフレーム メモリに書き込んだ後、TXFRMCTR レジスタ（004h）の ISSUE_TX ビットに 1 を書き込むことでフレー ム送信が行われる。フレーム送信完了時に送信完了割り込みが発生する。(失敗の場合も割り込みが発 生する。) uC MN87400//401 対向相手 INFO書き込み SFD書き込み PHR書き込み MACBODY書き込み ISSUE 送信設定 (TXFRMCTR.ISSUE_TX) TX Frame 送信完了 INTR 図 2-1 送信シーケンス （キャリアセンスなし）送信で使用する割り込みは、送信完了、送信失敗の2 種類である。割り込みの内容は INTEVENT レ ジスタで確認可能である。 2.1.2 キャリアセンスあり送信 キャリアセンスありでフレームを送信する際には、送信するフレームの INFO,SFD,PHR、フレーム本体 を送信用のフレームメモリに書き込んだ後、キャリアセンスを行う。(キャリアセンス方法についてはアプリ ケーションノート「AP_MN87400_003_RSSI+キャリアセンス方法」参照) キャリアセンス成功時はフレーム送信を行う。TXFRMCTR レジスタ（004h）の ISSUE_TX ビットに 1 を 書き込むことでフレーム送信が行われる。フレーム送信完了時に送信完了割り込みが発生する。(失敗 の場合も割り込みが発生する。) uC MN87400//401 対向相手 TX Frame INTR 送信完了 ISSUE INFO 書き込み SFD 書き込み PHR 書き込み MACBOODY書き込み 送信設定 (TXFRMCTR.ISSUE_TX) INTR BKOFF_REQ キャリアセンス設定 (TXFRMCTR.BKOFF_REQ) RR 結果読み出し キャリアセンス完了 キャリアセンス成功時 uC MN87400//401 対向相手 TX Frame INTR 送信完了 ISSUE INFO 書き込み SFD 書き込み PHR 書き込み MACBOODY書き込み 送信設定 (TXFRMCTR.ISSUE_TX) INTR BKOFF_REQ キャリアセンス設定 (TXFRMCTR.BKOFF_REQ) RR 結果読み出し キャリアセンス完了 キャリアセンス成功時 図 2-2 送信シーケンス （キャリアセンスあり） 2.1.3 ACK期待送信 送信フレームに対し、ACK 期待をする場合、フレーム送信前に TXFRMCTR レジスタ（004h）の ACKREQ_TX ビットを 1 に設定する。送信手順は 2.1.1 節もしくは 2.1.2 節に従う。ただし、ACK 期待 送信の場合、MN87400/401 はフレーム送信後、ACK 待ちを行い、一定時間で ACK フレームを受信 完了しなかった場合には再送を行う。ACK を受信するか、3 回再送を繰り返しても ACK を受信しなか った場合に送信完了割り込みが発生する。再送回数はBKOFF_CTR レジスタ(007h)で変更可能。
uC MN87400//401 対向相手 TX Frame INTR 送信完了 ISSUE INFO 書き込み SFD 書き込み PHR 書き込み MACBOODY書き込み 送信設定 (TXFRMCTR.ISSUE_TX) ACK期待設定 (TXFRMCTR.ACKREQ_TX) TX Frame (再送) ACK
×
uC MN87400//401 対向相手 TX Frame INTR 送信完了 ISSUE INFO 書き込み SFD 書き込み PHR 書き込み MACBOODY書き込み 送信設定 (TXFRMCTR.ISSUE_TX) ACK期待設定 (TXFRMCTR.ACKREQ_TX) TX Frame (再送) ACK×
図 2-3 送信シーケンス （ACK 要求あり、再送で送信成功） 2.2 フレームメモリへのデータの設定フレームメモリは TX frame buffer1 と TX frame buffer2 の 2 面が用意されている。ここでは、TX frame buffer1 を使用して送信データを設定する方法を説明する。TX frame buffer2 もアドレスが異 なるだけで設定内容は全く同じである。 Reserved(64bytes) Reserved(32bytes) ACK(16bytes) RESERVED(16bytes) TX frame buffer 1 （256Bytes) 000h TX frame buffer 2 （256Bytes) 120h 240h RX frame buffer （256Bytes) 380h 100h 220h 110h 340h Nonce info PHR MHR AUX CoM flag Payload MAC frame (exclude CRC) SFD 3bytes (1024bytes) RFparams(128Bytes) 3FFh 0-3bytes 0-7bytes info PHR SFD FC SQN 3bytes 0-3bytes 0-7bytes 2bytes 1bytes 図 2-4 Frame Buffer の構成
TX frame buffer1 はアドレス 000h から始まり、INFO 情報をアドレス 000h～002h に書き込み、SFD 情報をアドレス003h～004h に書き込み、PHR 情報をアドレス 005h～006h に書き込み、MACBODY をアドレス007h から順番に必要バイト数書き込む。 INFO SFD PHR MAC BODY 000 001 002 003 004 005 006 007 008 009 00a 図 2-5 TX Frame Buffer1 の設定フォーマット 2.2.1 INFOデータの設定 INFOフィールドは 3 バイトで構成されていて、送信アンテナ情報の設定とフレーム長の設定を行う。こ のINFOフィールドには、SFDの長さ、PHRの長さを除くフレーム長（MACBODY長）を設定する。ハー ドウェアでCRCを付加する場合にはCRCを含む長さを設定する。 SFD PHR MAC BODY INFO CRC Attached by hardware 図 2-6 INFO フィールドの示す長さ INFOフィールドのフォーマットは、図 2-7 に示すように、INFO0(000h)でアンテナ情報を設定し、 INFO1(001h)、INFO2(002h)でMACBODY＋CRC長を 11 ビットで格納する。 INFO フィールドで設定したデータは AIR 上には出力されない。
Reserved 0 1 2 3 4 5 6 7 ANT INFO0 Reserved INFO1 PSDULen[7:0] INFO2 PSDULen[10:8] 図 2-7 INFO フィールドフォーマット 2.2.2 SFDデータ設定 SFD データからは、実際に AIR 上に出力されるデータとなる。
送信データは、TX frame buffer1 のアドレス 003h から順番にバイトごとに読み出され、AIR 上に出力 される。SFD の前にプリアンブル出力がされるが TX frame buffer1 にプリアンブルデータを設定する 必要はない。 SFD のように複数バイトで示されるデータ（アドレスなど）は、下位バイトから順番に TX frame buffer1 に格納する。 IEEE802.15.4g では SFD＝7209h と定義されている。この場合下位バイトから AIR 上に出力するた めには、 TX frame buffer1(003h) = 09h TX frame buffer1(004h) = 72h と格納する。 2.2.3 PHRデータ設定 PHR データは SFD に続いて TX frame buffer1 に格納する。PHR のフォーマットは図 2-8 に示すと おりであり、2 バイトで構成される。 0 R R C R C D W L 1 0 L 0 9 L 0 8 Length[7:0] 7 6 1 0 15 14 9 8
Data Whitening On(1)/Off(0) CRC Len 2Octet(1)/4Octet(0) PHR[15:8] PHR[7:0]
図 2-8 PHR 長 2 オクテット時の PHR フォーマット PHR も TX frame buffer1 に格納する際には、下位バイト、上位バイトの順に行う。
合には、PHR[15:0]=0900h となり、
TX frame buffer1(005h) = 00h ( PHR[7:0] ) TX frame buffer1(006h) = 09h （PHR[15:8]) と設定する。
2.2.4 MACBODY設定
MACBODY は、フレーム本体であり INFO の Length で設定したバイト数分のデータを TX frame buffer1 に書き込む。
CRC をハードウェアで自動計算する場合には、INFO フィールドで示される Length から CRC 長分を 引いた長さが送信データとして使用可能である。
INFO の Length に設定した値が 9 の場合、CRC を 4 バイトで自動計算させると有効な MACBODY 長は5 バイトになる。
IEEE802.15.4g では、MACBODY の最初の 2byte は FC 部と呼ばれる。FC 部には ID 長や ACK 要求の有無など、そのフレームの情報を付加する。
特に情報付加の必要のない場合は00h, 00h を格納すればよい。
ACK 期待する場合は、FC 部に ACK 要求情報を含める必要がある。ACK 期待する場合、TYPE を 001 もしくは 011、かつ AR を 1 に設定すること。その他の bit は 0 にすればよい。 FC part TYPE 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SEC PEN D IN G AR PAN ID COM P R ES S RE SE R V ED DE S T A DDR MODE SRC ADDR MODE VE R bit position IE P R ESENT SQ N S uppres si on TYPE 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SEC PEN D IN G AR PA N ID PR ESE N T 1 DES T A DDR MODE SR C A DDR MODE VE R IE P R ESENT SQ N S u ppres si on FC part bit position
DATA FRAME (TYPE=101)
BEACON/DATA/ACK/COM FRAME (TYPE=000-011)
FC part TYPE 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SEC PEN D IN G AR PAN ID COM P R ES S RE SE R V ED DE S T A DDR MODE SRC ADDR MODE VE R bit position IE P R ESENT SQ N S uppres si on TYPE 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 SEC PEN D IN G AR PA N ID PR ESE N T 1 DES T A DDR MODE SR C A DDR MODE VE R IE P R ESENT SQ N S u ppres si on FC part bit position
DATA FRAME (TYPE=101)
BEACON/DATA/ACK/COM FRAME (TYPE=000-011)
FC 部を除く MACBODY を仮に 11h、22h、33h の順番に送信したいとすると、TX frame buffer1 に 格納するデータはアドレス000h から順番に、 ACK 期待なし時のフレーム例 ----INFO---- ---SFD--- --PHR-- ---MACBODY--- --- CRC --- ---FC--- 00h 00h 09h 09h 72h 00h 09h 00h 00h 11h 22h 33h 00h 00h 00h 00h ACK 期待時のフレーム例 ----INFO---- ---SFD--- --PHR-- ---MACBODY--- --- CRC --- ----FC---- 00h 00h 09h 09h 72h 00h 09h 21h 00h 11h 22h 33h 00h 00h 00h 00h と言う順番に格納する。 CRC 部分はハードで自動計算するため、データを設定する必要はない。ここでは見やすくするため CRC 部分を 00h で埋めてある。 2.3 ACK期待設定
TXFRMCTR レジスタ(004h)の ACKREQ_TX0(もしくは ACKREQ_TX1)に ACK 期待設定を行う。 ここでは、TX frame buffer1 にデータを格納したので、このフレームに対し ACK 期待する場合、 ACKREQ_TX0 を 1 にセットする。
RegisterName Address RW Default
TXFRMCTR 004h RW 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
Reserved REST_CAL SYMCLK
_STP
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
BKOFF_ RESULT （Read Only） BKOFF_ REQ TX_FRM_PROP ACKREQ_ TX1 ACKREQ_ TX0 ISSUE_ TX1 ISSUE _TX0
2.4 送信開始
送信開始は、TXFRMCTR レジスタ(004h)の ISSUE_TX0(もしくは ISSUE_TX1)によりフレーム送信 を行う。ここでは、TX frame buffer1 にデータを格納したので、ISSUE_TX0 を使用する。
RegisterName Address RW Default
TXFRMCTR 004h RW 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
Reserved REST_CAL SYMCLK
_STP
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
BKOFF_ RESULT （Read Only） BKOFF_ REQ TX_FRM_PROP ACKREQ_ TX1 ACKREQ_ TX0 ISSUE_ TX1 ISSUE _TX0
ISSUE_TX0 ビット=1 にするとプリアンブルに続き、TX frame buffer1 の内容が順次 AIR に送信され る。
2.5 送信完了と失敗
送信が完了/失敗すると ISSUE_TX0 ビットは自動的に 0 にクリアされる。と同時に割り込みが発生する。 割り込み要因はINTEVENT レジスタを読み出すことで確認する。
RegisterName Address RW Default
INTEVENT 003h R 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
INT_ UNLOCK INT_ BUFEMP INT_ DETPRE INT_ SSLOT INT_ INACT INT_ CAPEND INT_ BKOFF INT_ MISC
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
INT_ BEALOS INT_ GTS INT_ BEACON INT_ TXFAIL INT_ TXEND INT_ RXFAIL INT_ RXEND INT_ RXST 成功時はINT_TXEND 割り込みが発生する。 INTEVENT レジスタを読み出して割り込み要因を確認して、INT_TXEND(ビット 3)が 1 になっていれ ば、次回の送信に備えてこの割り込み要因をクリアする。 失敗時はINT_TXFAIL 割り込みが発生する。
INTEVENT レジスタを読み出して割り込み要因を確認して、INT_TXFAIL(ビット 4)が 1 になっていれ ば、送信失敗である。失敗要因を調べるには、STATUS レジスタの TXFAIL_INFO(ビット 2:0)を読み 出す。
RegisterName Address RW Default
STATUS 006h R 0180h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
VER
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
CAP CUR_SLOT TXFAIL_INFO
失敗要因は以下の4 種類である. 000: バックオフ失敗
001: 再送上限回数オーバー 010: コンテンションアクセス期間外 011: パラメータ異常
3 受信手順
3.1 基本的な受信方法 フレームを受信開始した時に受信開始割り込みが発生し、フレームを受信し終わった時に受信完了割 り込みが発生する。受信されたフレームはRX frame buffer に格納されるので、この内容を読み出すこ とでフレーム受信が可能である。 uC MN87400 対向相手 RX Frame INT INT MR RX BUFF Clr 受信開始 受信完了 フレーム読み出し バッファクリア ( RXFRMCTR.RX_BUF_CLR) uC MN87400 対向相手 RX Frame INT INT MR RX BUFF Clr 受信開始 受信完了 フレーム読み出し バッファクリア ( RXFRMCTR.RX_BUF_CLR) 図 3-1 受信シーケンス 受信したフレームを読み出し終わったら、RX frame buffer のクリアを行う。 フレーム受信で使用する割り込みは、受信開始、受信完了、受信失敗の 3 種類である。割り込みの内 容はINTEVENT レジスタで確認可能である。RegisterName Address RW Default
INTEVENT 003h R 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
INT_ UNLOCK INT_ BUFEMP INT_ DETPRE INT_ SSLOT INT_ INACT INT_ CAPEND INT_ BKOFF INT_ MISC
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
INT_ BEALOS INT_ GTS INT_ BEACON INT_ TXFAIL INT_ TXEND INT_ RXFAIL INT_ RXEND INT_ RXST
3.2 受信開始割り込み プリアンブル検出後、フレームの SFD コードを検出すると受信開始割り込みが発生する。マイコンに対 して受信処理が始まったことを通知する目的であり、受信開始時にマイコン側で処理が不要であれば未 使用でもかまわない。SFD コードの後には PHR が受信されるため、この割り込みを使用して PHR の読 み出しを行い受信するフレーム長を確認することが出来る。この際にPHR が RX frame buffer に格納 され終わるまで待ってから読み出しを行うこと。待ち時間はデータレートから計算してマイコン側のタイマ などで設定すること。 3.3 受信完了割り込み 受信成功した場合、フレームデータが格納され終わったタイミングで、受信完了割り込みが発生する。ま た、データの上書き防止のために、RX_BUF_COND ビットが自動的に 1 になる。 (ACK 自動応答する場合の割り込み発生タイミングは 3.7 節参照) 3.4 受信失敗割り込み 受信が失敗するとRX frame buffer にはエラーが発生した時点までのデータが格納されている。失敗 要因は、STAT_RXFAIL レジスタの RXFAIL_INFO(bit[15:14])に格納されている。
RegisterName Address RW Default
STAT_RXFAIL 036h R 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8 RXFAIL_INFO[1:0] STAT_CRCERR[13:8]
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 STAT_CRCERR[7:0] 失敗理由 00: 受信フレームバッファがビジー状態(RX_BUF_COND ビット=1)で受信開始した。 01: MAC ヘッダフィルタリングで破棄された。 10: CRC エラーを検出した。 11: キャリアロスト(PHR が異常なフレーム長を示している) 受信失敗時にも、データの上書き防止のためにRX_BUF_COND ビットが自動的に 1 になる。
3.5 フレームメモリからのフレーム読み出し
フレーム受信の際、プリアンブル、SFD は格納されず、PHR 以降が受信フレームデータとして RX frame buffer に格納される。また、MAC frame の後ろには LQI が格納され、ダイバシティモードで動 作している場合、さらにその後ろに受信アンテナ情報(RXANT)が格納される。 Reserved(64bytes) Reserved(32bytes) ACK(16bytes) RESERVED(16bytes) TX frame buffer 1 （256Bytes) 000h TX frame buffer 2 （256Bytes) 120h 240h RX frame buffer （256Bytes) 380h 100h 220h 110h 340h (1024bytes) RFparams(128Bytes) 3FFh Nonce PHR MHR AUX CoM flag Payload MAC frame 0-7bytes CRC LQI RXANT 図 3-2 RX frame buffer メモリマップ 送信の例では、 ----INFO---- ---SFD--- --PHR-- ---MACBODY--- --- CRC --- 00h 00h 09h 09h 72h 00h 09h 00h 00h 11h 22h 33h 00h 00h 00h 00h のデータを送ったが、このデータを受信した際にはRX frame buffer には、 --PHR-- ---MACBODY--- --- CRC --- -LQI- -ANT-
00h 09h 00h 00h11h 22h 33h xxh xxh xxh xxh 30h 00h と格納されている。
3.6 バッファクリア処理
受信終了時には、結果が成功、失敗のどちらの場合でもバッファクリア処理が必要である。
受信終了時には、RX_BUF_COND ビットが 1 になる。RF_BUF_COND ビットが 1 の間は、新たなフ レーム受信によってRX frame buffer が上書きされないよう保護がかかっている。
RegisterName Address RW Default
RXFRMCTR 005h RW 0000h
Validation bit
bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8
RSSI （Read Only）
bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0
Reserved SENSE_ RESULT （Read Only） RSSI_ REQ SENSE_ REQ RX_BUF_ CLR RX_BUF_ COND （Read Only） マイコンは新たなフレーム受信を許可するため、RX frame buffer の内容を読み出した後に、 RX_BUF_CLR ビットに 1 を書き込むことで、RX_BUF_COND ビットをクリアしなければならない。 なお、RX_BUF_CLR ビットに 1 を書き込んでも、RX frame buffer の内容はクリアされない。 RX_BUF_COND ビット=1 の間に受信された新たなフレームは、受信失敗と判断される。
3.7 ACK自動応答
フレームを受信した際にFC 部のデータが TYPE = 001 もしくは 011, かつ AR = 1 の場合、受信成功 した時点でフレームメモリのACK frame buff に格納されたデータを送信する。この場合、受信完了割 り込みは、ACK 送信完了時に発生する。 uC MN87400 対向相手 RX Frame INT INT MR RX BUFF Clr 受信開始 受信完了 フレーム読み出し バッファクリア ( RXFRMCTR.RX_BUF_CLR) ACK uC MN87400 対向相手 RX Frame INT INT MR RX BUFF Clr 受信開始 受信完了 フレーム読み出し バッファクリア ( RXFRMCTR.RX_BUF_CLR) ACK 図 3-3 受信シーケンス（ACK 自動応答あり）
ACK 自動応答に備え、予め ACK フレームの INFO,SFD,PHR、フレーム本体をフレームメモリに書き 込む必要がある。ACK frame buff は 100h アドレスから始まる（図 2-4 参照)。ACK フレームの MACBODY 長は 3byte とし、FC 部は TYPE = 010 に設定する必要がある。
ACK フレーム例 ----INFO---- ---SFD--- --PHR-- -MACBODY- --- CRC --- ----FC---- 00h 00h 07h 09h 72h 00h 07h 02h 00h 00h 00h 00h 00h 00h CRC 部分はハードで自動計算するため、データを設定する必要はない。ここでは見やすくするため CRC 部分を 00h で埋めてある。
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