nRF24L01无线模块在单片机与FPGA上的应用

　　先简单的介绍下nRF24L01无线模块
　　(1) 2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用
　　(2) 最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合
　　(3) 126 频道，满足多点通信和跳频通信需要
　　(4) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制
　　(5) 低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA
　　(6) 内置2.4Ghz 天线，体积小巧15mm X29mm
　　(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便

　　通过SPI方式完成数据的交换，包括数据的发送，数据的接收。说明一下，单片机中如果没有SPI的硬件电路，我们可以使用单片机的普通IO口进行SPI的时序模拟，只要符合无线模块的时序逻辑，一样能控制无线模块的通信。FPGA是可编程逻辑，最大的特点就是灵活，用户可根据需求加入所需要的逻辑器件，当然它所包含的逻辑单元也是相当的丰富，有SPI硬件模块。这样用户就省去了SPI方式的时序逻辑，可以更好的专注于功能的开发。　　下面将详细的介绍下nRF24L01无线模块在单片机与FPGA上的应用单片机：这里我们使用的单片机型号为PIC16F877。

　图1.3  NRF24L01接入PIC的原理图
   　　说明：从图1.3中可以看出，主要是图1.1中的6个信号（还有2个是地与电源）接入单片机中。而那些引脚是普通的IO口，需要用户模仿SPI时序进行控制。　　无线模块进行数据的交换就是数据的发送与数据的接收，下面将从这2个方面进行介绍。不管是数据的发送还是数据的接收，要想控制好NRF24L01无线模块，先要通过SPI方式对无线模块进行配置，只需要往它对应的寄存器里写入数值便可。　　先定义一下PIC上的宏，下面我们就可以很方便的对PIC的引脚进行操作。

1. #define      MISO    RC2
   
2. #define      MOSI    RC3
   
3. #define      SCK     RD0
   
4. #define      CE      RD2
   
5. #define      CSN     RD1
   
6. #define      IRQ     RC1
   
7. #define      LED     RD3
   
8. #define      KEY0    RB0
   
9. #define      KEY1    RB1
   
10. #define      KEY2    RB2
    
11. #define      KEY3    RB3
    
12. #define      KEY4    RB4
    
13. #define      KEY5    RB5
    
14. #define      KEY6    RB6
    
15. #define      KEY7    RB7

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NRF24L01无线模块的寄存器

1. //*******************NRF24L01寄存器指令
   
2. #define READ_REG          0x00      // 读寄存器指令
   
3. #define WRITE_REG         0x20      // 写寄存器指令
   
4. #define RD_RX_PLOAD       0x61      // 读取接收数据指令
   
5. #define WR_TX_PLOAD       0xA0      // 写待发数据指令
   
6. //*******************SPI(nRF24L01)寄存器地址
   
7. #define CONFIG            0x00  　　// 配置收发状态，
   
8. #define EN_AA             0x01  　　// 自动应答功能设置
   
9. #define EN_RXADDR         0x02  　　// 可用信道设置
   
10. #define SETUP_AW          0x03  　　// 收发地址宽度设置
    
11. #define SETUP_RETR        0x04  　　// 自动重发功能设置
    
12. #define RF_CH             0x05  　　// 工作频率设置
    
13. #define RF_SETUP          0x06  　　// 发射速率、功耗功能设置
    
14. #define STATUS            0x07  　　// 状态寄存器         
    
15. #define RX_ADDR_P0        0x0A  　　// 频道0接收数据地址
    
16. #define TX_ADDR           0x10  　　// 发送地址寄存器
    
17. #define RX_PW_P0          0x11  　　// 接收频道0接收数据长度
    
18. #define FIFO_STATUS       0x17  　　// FIFO栈入栈出状态寄存器设置

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　　有2类寄存器是用户可以根据自己的需求所确定的，那就是地址的长度以及内容、发送与接收数据的长度，但无线模块一次最多可以发送32个字节，这两类寄存器一般设置为3~4个字节。

1. #define TX_PLOAD_WIDTH 4      
   
2. #define RX_PLOAD_WIDTH 4      
   
3. unsigned char  TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10};    //本地地址
   
4. unsigned char  RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10};    //接收地址

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A  模拟SPI方式

1. /****************************************************************************************************
   
2. /*函数：uint SPI_RW(uint uchar)
   
3. /*功能：NRF24L01的SPI时序
   
4. /****************************************************************************************************/
   
5. unsigned char SPI_RW(unsigned char a)
   
6. {
   
7.      unsigned char i;
   
8.         for(i=0;i<8;i++)                     
   
9.         {
   
10.          if((a&0x80)==0x80)
    
11.          MOSI=1;
    
12.          else MOSI=0;                    // output 'uchar', MSB to MOSI
    
13.          a=(a<<1);                       // shift next bit into MSB..
    
14.          SCK=1;                          // Set SCK high..
    
15.          if(MISO==1)
    
16.          a|=0x01;
    
17.          else a&=0xfe;                   // capture current MISO bit
    
18.          SCK=0;                          // ..then set SCK low again
    
19.         }   
    
20.      return(a);                          // return read uchar
    
21. }

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B  以SPI方式对寄存器的操作

1. /****************************************************************************************************
   
2. /*函数：uchar SPI_Read(uchar reg)
   
3. /*功能：NRF24L01的SPI读操作
   
4. /****************************************************************************************************/
   
5. unsigned char SPI_Read(unsigned char reg)
   
6. {
   
7.      unsigned char reg_val;   
   
8.      CSN=0;                    // CSN low, initialize SPI communication...
   
9.      SPI_RW(reg);              // Select register to read from..
   
10.      reg_val=SPI_RW(0);        // ..then read registervalue   
    
11.      CSN=1;                    // CSN high, terminate SPI communication   
    
12.      return(reg_val);          // return register value
    
13. }
    
14. /****************************************************************************************************/
    
15. /*功能：NRF24L01读写寄存器函数
    
16. /****************************************************************************************************/
    
17. unsigned char SPI_RW_Reg(unsigned char reg, unsigned char value)
    
18. {
    
19.      unsigned char status;   
    
20.      CSN = 0;                       // CSN low, init SPI transaction
    
21.      status=SPI_RW(reg);          // select register
    
22.      SPI_RW(value);                 // ..and write value to it..
    
23.      CSN = 1;                       // CSN high again
    
24.      return(status);                // return nRF24L01 status uchar
    
25. }
    
26. /****************************************************************************************************/
    
27. /*函数：uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)
    
28. /*功能: 用于读数据，reg：为寄存器地址，pBuf：为待读出数据地址，uchars：读出数据的个数
    
29. /****************************************************************************************************/
    
30. unsigned char SPI_Read_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
    
31. {
    
32.      unsigned char status,uchar_ctr;   
    
33.      CSN = 0;                              // Set CSN low, init SPI tranaction
    
34.      status=SPI_RW(reg);                   // Select register to write to and read status uchar
    
35.      
    
36.      for(uchar_ctr=0;uchar_ctr
37.      {
    
38.          pBuf[uchar_ctr]=SPI_RW(0);  
    
39.      }
    
40.      CSN = 1;                           
    
41.      
    
42.      return(status);                    
    
43. }
    
44. /*********************************************************************************************************
    
45. /*函数：uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)
    
46. /*功能: 用于写数据：为寄存器地址，pBuf：为待写入数据地址，uchars：写入数据的个数
    
47. /*********************************************************************************************************/
    
48. unsigned char SPI_Write_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
    
49. {
    
50.      unsigned char status,uchar_ctr;
    
51.      
    
52.      CSN = 0;                              //SPI使能      
    
53.      status=SPI_RW(reg);   
    
54.      for(uchar_ctr=0; uchar_ctr
55.      {
    
56.          SPI_RW(*pBuf++);
    
57.      }
    
58.      CSN = 1;                             //关闭SPI
    
59.      return(status);     
    
60. }

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　　这样就可以对NRF24L01无线模块进行初始化工作，以及数据发送、数据接收。让无线模块是处于接收状态还是处于发送状态，初始化的工作有所不同，但区别不大，主要是CONFIG寄存器，可详细参考它的datesheet。 　　NRF24L01发送的初始化以及发送时序

1. void init_NRF24L01_send(void)
   
2. {
   
3.      delay(30);
   
4.       CE=0;    // chip enable
   
5.       CSN=1;   // Spi disable
   
6.       SCK=0;   // Spi clock line init high
   
7.      delay(30);
   
8.      SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);    // 写本地地址   
   
9.      SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 写接收端地址
   
10.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01);      //  频道0自动    ACK应答允许   
    
11.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01);  //  允许接收地址只有频道0，如果需要多频道可以参考Page21
    
12.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + SETUP_RETR, 0x1a); // 500us + 86us, 10 retrans...  
    
13.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40);        //   设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致
    
14.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH);     //设置接收数据长度，本次设置为4字节
    
15.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07);               //设置发射速率为1MHZ，发射功率为最大值0dB   
    
16.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e);               // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送
    
17. //    CE=1;    // chip enable
    
18.      delay(30);
    
19. }
    
20. 
    
21. /***********************************************************************************************************
    
22. /*函数：void nRF24L01_TxPacket(unsigned char *tx_buf)
    
23. /*功能：发送 tx_buf中数据
    
24. /**********************************************************************************************************/
    
25. void nRF24L01_TxPacket(unsigned char *tx_buf)
    
26. {
    
27.      CE=0;            //StandBy I模式   
    
28.      SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 装载接收端地址
    
29.      SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf, TX_PLOAD_WIDTH);              // 装载数据   
    
30.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e);            // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送
    
31.      CE=1;         //置高CE，激发数据发送
    
32.      delay(100);
    
33.      CE=0;
    
34. }

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　　NRF24L01接收的初始化以及接收时序

1. void init_NRF24L01_receive(void)
   
2. {
   
3.      delay(30);
   
4.       CE=0;    // chip enable
   
5.       CSN=1;   // Spi disable
   
6.       SCK=0;   // Spi clock line init high
   
7.      delay(30);
   
8.      SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);    // 写本地地址   
   
9.      SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 写接收端地址
   
10.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01);      //  频道0自动    ACK应答允许   
    
11.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01);  //  允许接收地址只有频道0，如果需要多频道可以参考Page21  
    
12.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40);        //   设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致
    
13.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); //设置接收数据长度，本次设置为32字节
    
14.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07);           //设置发射速率为1MHZ，发射功率为最大值0dB   
    
15.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0f);            // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主接受
    
16.      CE=1;
    
17.      delay(40);   
    
18. }
    
19. 
    
20. 
    
21. /******************************************************************************************************/
    
22. /*函数：unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)
    
23. /*功能：数据读取后放如rx_buf接收缓冲区中
    
24. /******************************************************************************************************/
    
25. unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)
    
26. {
    
27.      unsigned char revale=0;
    
28.      sta=SPI_Read(STATUS);    // 读取状态寄存其来判断数据接收状况
    
29.      if(RX_DR)                // 判断是否接收到数据
    
30.      {
    
31.          CE = 0;             //SPI使能
    
32.          SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);// read receive payload from RX_FIFO buffer
    
33.          revale =1;            //读取数据完成标志
    
34.      }
    
35.      SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0xff);
    
36.      return revale;
    
37. }

复制代码

下面总结一下NRF24L01在FPGA的应用。　　由于FPGA自带SPI硬件，只需要在SOPC Bulider中添加SPI模块即可，在顶层图中我们就可以看到图1.4,另外，我们再添加两个IO口，这样我们就不必再模拟SPI方式，在FPGA中，有一个很好的API函数alt_avalon_spi_command();其函数原型为：

1. int alt_avalon_spi_command(alt_u32base,alt_u32slave,
   
2.       alt_u32write_length,
   
3.       constalt_u8*wdata,
   
4.       alt_u32read_length,
   
5.       alt_u8*read_data,
   
6.       alt_u32flags)

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该函数执行以下功能：    1、 SPI 从机片选信号有效（拉低） ；    2、 从 wdata 指针读取数据，通过 SPI 接口传输总共 write_length 字节的数据，丢弃 MISO接口输入的数据；    3、 读 read_length 个字节的数据，存储到 read_data 指针指向的地址。读传输过程中 MOSI 被置为 0；    4、 撤销 SPI 从机片选信号（拉高）。    头文件，该头文件定义了 SPI 核的寄存器映射和访问硬件可用的一些特征常量。这个函数的最大缺点就是不可以在中断中使用，但这并不影响对它的使用。NRF24L01在单片机和FPGA上的应用的本质是一样的，主要区别就是对上面的A、B  SPI方式进行改写。A   就是用alt_avalon_spi_command();代替，是不是很方便呢。:-DB  以SPI方式对寄存器的操作

1. /*********************************************************************
   
2. ** 函数名称: void SPI_RW_Reg(unsigned char reg, unsigned char value)()
   
3. ** 函数功能: 访问无线模块寄存器，并也对其写数值控制
   
4. ** 参数：2个，第一个为寄存器地址，第二个为向寄存器写的数值
   
5. *********************************************************************/
   
6. void SPI_RW_Reg ( unsigned char reg, unsigned char value )
   
7. {
   
8.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );               // select register
   
9.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,&value,0,NULL,0 );
   
10. }
    
11. 
    
12. /*********************************************************************
    
13. ** 函数名称: void SPI_Write_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char bytes)
    
14. ** 函数功能: 访问寄存器，并向其写入bytes字节的数值
    
15. ** 参数：3个，寄存器地址，数据、长度
    
16. *********************************************************************/
    
17. void SPI_Write_Buf ( unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char bytes )
    
18. {
    
19.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
    
20.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,bytes,pBuf,0,NULL,0 );
    
21. }
    
22. /********************************************************************
    
23. ** 函数名称: unsigned char SPI_Read(unsigned char reg)
    
24. ** 函数功能: 访问寄存器地址，并返回该寄存器的数值
    
25. ** 参数：寄存器地址
    
26. *********************************************************************/
    
27. unsigned char SPI_Read ( unsigned char reg )
    
28. {
    
29.      unsigned char reg_val;
    
30.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
    
31.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,0,NULL,1,®_val,0 );
    
32.      return ( reg_val );
    
33. }
    
34. /*
    
35. *********************************************************************
    
36. ** 函数名称: void SPI_Read_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
    
37. ** 函数功能: 访问寄存器，并从其读出bytes字节的数值
    
38. ** 参数：3个，寄存器地址，数据、长度
    
39. *********************************************************************
    
40. */
    
41. void SPI_Read_Buf ( unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars )
    
42. {
    
43.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
    
44.      alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,0,NULL,uchars,pBuf,0 );
    
45. }

复制代码

　　跟单片机相比，是不是觉得看得清晰点呢。这就是这个函数的方便之处了。有一点要注意一下，这个函数的最后一个参数的作用，以前没注意，走过一段弯路，它的作用就是相当于上面单片机中的CSN信号，如果需要对SPI从器件进行连续访问，则不释放该信号可以提高访问速度。　　好了，差不多就总结到这里了。无线模块的应用很广泛，可以用作无线遥控器、数据的无线烧写等用途。有想法的可以一起讨论。

这资源很难找的。谢谢分享。

足球上篮 发表于 2012-3-8 16:01
这资源很难找的。谢谢分享。

一是整理一下万一以后还有用，二是希望对某些人有点用。呵呵

最近想用这个模块做小项目

谢谢分享

谢谢啦

谢谢楼主分享

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谢谢哈

谢谢分享！

如果程序用在MSP430F5529上，则需要改动那些地方？

恩 不错  想学习下  准备入手做个玩玩

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个人感觉很有用，学习中。谢谢！

多谢楼主分享  支持支持

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