「正点原子STM32Mini板资料连载」第二十九章 无线通信实验

本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-4-13 11:25 编辑

1）实验平台：正点原子STM32mini开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第二十九章 无线通信实验
ALIENTKEMiniSTM32 开发板带有一个 2.4G 无线模块（NRF24L01 模块）通信接口，采用
8 脚插针方式与开发板连接。本章我们将以 NRF24L01 模块为例向大家介绍如何在 ALIENTEK
MiniSTM32 开发板上实现无线通信。在本章中，我们将使用两块 MiniSTM32 开发板，一块用
于发送收据，另外一块用于接收，从而实现无线数据传输。本章分为如下几个部分：
29.1 NRF24L01 无线模块简介
29.2 硬件设计
29.3 软件设计
29.4 下载验证

29.1 NRF24L01 无线模块简介
NRF24L01 无线模块，采用的芯片是 NRF24L01，该芯片的主要特点如下：
1）2.4G 全球开放的 ISM 频段，免许可证使用。
2）最高工作速率 2Mbps，高校的 GFSK 调制，抗干扰能力强。
3）125 个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。
4）内置 CRC 检错和点对多点的通信地址控制。
5）低工作电压（1.9~3.6V）。
6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。
该芯片通过 SPI 与外部 MCU 通信，最大的 SPI 速度可以达到 10Mhz。本章我们用到的模块是深圳云佳科技生产的 NRF24L01，该模块已经被很多公司大量使用，成熟度和稳定性都是相当不错的。该模块的外形和引脚图如图 29.1.1 所示：

模块 VCC 脚的电压范围为 1.9~3.6V，建议不要超过 3.6V，否则可能烧坏模块，一般用 3.3V电压比较合适。除了 VCC 和 GND 脚，其他引脚都可以和 5V 单片机的 IO 口直连，正是因为其兼容 5V 单片机的 IO，故使用上具有很大优势。
关于 NRF24L01 的详细介绍，请参考 NRF24L01 的技术手册。
29.2 硬件设计
本章实验功能简介：开机的时候先检测 NRF24L01 模块是否存在，在检测到 NRF24L01
模块之后，根据 KEY0 和 KEY1 的设置来决定模块的工作模式，在设定好工作模式之后，就会
不停的发送/接收数据，同样用 DS0 来指示程序正在运行。
所要用到的硬件资源如下：
1） 指示灯 DS0
2） KEY0 和 KEY1 按键
3） TFTLCD 模块
4） NRF24L01 模块
NRF24L01 模块属于外部模块，这里我们仅介绍开发板上 NRF24L01 模块接口和 STM32的连接情况，他们的连接关系如图 29.2.1 所示：

这里NRF24L01也是使用的SPI1，和W25Q64以及SD卡等共用一个SPI接口，所以在使用
的时候，他们分时复用SPI1。本章我们需要把SD卡和W25Q64的片选信号置高，以防止这两个器件对NRF24L01的通信造成干扰。
由于无线通信实验是双向的，所以至少要有两个模块同时工作才可以，这里我们使用2套
ALIENTEK MiniSTM32开发板来向大家演示。
29.3 软件设计
打开本章实验工程可以看到，我们在工程中添加了 spi 底层驱动函数，因为 NRF24L01 是
SPI 通信接口。同时，我们增加了 24l01.c 源文件以及包含了对应的头文件用来编写 NRF24L01底层驱动函数。
打开 24l01.c 文件，代码如下：
const u8 TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
const u8 RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; //发送地址
//针对 NRF24L01 修改 SPI1 驱动
void NRF24L01_SPI_Init(void)
{
__HAL_SPI_DISABLE(&SPI1_Handler); //先关闭 SPI1
SPI1_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_LOW;
//串行同步时钟的空闲状态为低电平
SPI1_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_1EDGE;
//串行同步时钟的第 1 个跳变沿（上升或下降）数据被采样
HAL_SPI_Init(&SPI1_Handler);
__HAL_SPI_ENABLE(&SPI1_Handler); //使能 SPI1
}
//初始化 24L01 的 IO 口
void NRF24L01_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOA 时钟
__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
//开启 GPIOC 时钟
//PA2,3,4 初始化设置:推挽输出
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4;
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_OUTPUT_PP; //推挽输出
GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉
GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); //初始化
//PC4 推挽输出
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_4;
//PC4
HAL_GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_Initure); //初始化
//PA1 上拉输入
GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_1;
//PA1
GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_INPUT; //输入
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); //初始化
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_SET);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_4,GPIO_PIN_SET);
SPI1_Init();
//初始化 SPI1
NRF24L01_SPI_Init(); //针对 NRF 的特点修改 SPI 的设置
NRF24L01_CE=0;
//使能 24L01
NRF24L01_CSN=1;
//SPI 片选取消
}
//检测 24L01 是否存在
//返回值:0，成功;1，失败
u8 NRF24L01_Check(void)
{
u8 buf[5]={0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};
u8 i;
SPI2_SetSpeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_8);
//spi 速度为 10.5Mhz（（24L01 的最大 SPI 时钟为 10Mhz,这里大一点没关系）
NRF24L01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+TX_ADDR,buf,5);//写入 5 个字节的地址.
NRF24L01_Read_Buf(TX_ADDR,buf,5); //读出写入的地址
for(i=0;i<5;i++)if(buf!=0XA5)break;
if(i!=5)return 1;//检测 24L01 错误
return 0;
//检测到 24L01
}
//SPI 写寄存器
//reg:指定寄存器地址
//value:写入的值
u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg,u8 value)
{
u8 status;
NRF24L01_CSN=0; //使能 SPI 传输
status =SPI2_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器号
SPI2_ReadWriteByte(value); //写入寄存器的值
NRF24L01_CSN=1; //禁止 SPI 传输
return(status);
//返回状态值
}
//读取 SPI 寄存器值
//reg:要读的寄存器
u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg)
{
u8 reg_val;
NRF24L01_CSN=0;
//使能 SPI 传输
SPI2_ReadWriteByte(reg);
//发送寄存器号
reg_val=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);//读取寄存器内容
NRF24L01_CSN=1; //禁止 SPI 传输
return(reg_val);
//返回状态值
}
//在指定位置读出指定长度的数据
//reg:寄存器(位置)
//*pBuf:数据指针
//len:数据长度
//返回值,此次读到的状态寄存器值
u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg,u8 *pBuf,u8 len)
{
u8 status,u8_ctr;
NRF24L01_CSN=0;
//使能 SPI 传输
status=SPI2_ReadWriteByte(reg);
//发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0;u8_ctr NRF24L01_CSN=1;
//关闭 SPI 传输
return status;
//返回读到的状态值
}
//在指定位置写指定长度的数据
//reg:寄存器(位置)
//*pBuf:数据指针
//len:数据长度
//返回值,此次读到的状态寄存器值
u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 len)
{
u8 status,u8_ctr;
NRF24L01_CSN=0; //使能 SPI 传输
status = SPI2_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0; u8_ctr NRF24L01_CSN=1; //关闭 SPI 传输
return status;
//返回读到的状态值
}
//启动 NRF24L01 发送一次数据
//txbuf:待发送数据首地址
//返回值:发送完成状况
u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)
{
u8 sta;
SPI2_SetSpeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_8);
//spi 速度为 6.75Mhz（24L01 的最大 SPI 时钟为 10Mhz）
NRF24L01_CE=0;
NRF24L01_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,txbuf,TX_PLOAD_WIDTH);
//写数据到 TX BUF 32 个字节
NRF24L01_CE=1; //启动发送
while(NRF24L01_IRQ!=0); //等待发送完成
sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+STATUS,sta);
//清除 TX_DS 或 MAX_RT 中断标志
if(sta&MAX_TX) //达到最大重发次数
{
NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_TX,0xff); //清除 TX FIFO 寄存器
return MAX_TX;
}
if(sta&TX_OK) //发送完成
{
return TX_OK;
}
return 0xff;//其他原因发送失败
}
//启动 NRF24L01 发送一次数据
//txbuf:待发送数据首地址
//返回值:0，接收完成；其他，错误代码
u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)
{
u8 sta;
SPI2_SetSpeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_8);
//spi 速度为 6.75Mhz（24L01 的最大 SPI 时钟为 10Mhz）
sta=NRF24L01_Read_Reg(STATUS); //读取状态寄存器的值
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+STATUS,sta);
//清除 TX_DS 或 MAX_RT 中断标志if(sta&RX_OK)//接收到数据
{
NRF24L01_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rxbuf,RX_PLOAD_WIDTH);//读取数据
NRF24L01_Write_Reg(FLUSH_RX,0xff); //清除 RX FIFO 寄存器
return 0;
}
return 1;//没收到任何数据
}
//该函数初始化 NRF24L01 到 RX 模式
//设置 RX 地址,写 RX 数据宽度,选择 RF 频道,波特率和 LNA HCURR
//当 CE 变高后,即进入 RX 模式,并可以接收数据了
void NRF24L01_RX_Mode(void)
{
NRF24L01_CE=0;
NRF24L01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,
RX_ADR_WIDTH);//写 RX 节点地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道 0 接收地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40); //设置 RF 通信频率
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);
//选择通道 0 的有效数据宽度
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f);
//设置 TX 发射参数,0db 增益,2Mbps,低噪声增益开启
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);
//配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式
NRF24L01_CE=1; //CE 为高,进入接收模式
}
//该函数初始化 NRF24L01 到 TX 模式
//设置 TX 地址,写 TX 数据宽度,设置 RX 自动应答的地址,填充 TX 发送数据,
//选择 RF 频道,波特率和 LNA HCURR
//PWR_UP,CRC 使能
//当 CE 变高后,即进入 RX 模式,并可以接收数据了
//CE 为高大于 10us,则启动发送.
void NRF24L01_TX_Mode(void)
{
NRF24L01_CE=0;
NRF24L01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,
TX_ADR_WIDTH);//写 TX 节点地址
NRF24L01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,
RX_ADR_WIDTH); //设置 TX 节点地址,主要为了使能 ACK
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道 0 的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道 0 接收地址
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);
//设置自动重发间隔时间:500us + 86us;最大自动重发次数:10 次
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40); //设置 RF 通道为 40
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_SETUP,0x0f);
//设置 TX 发射参数,0db 增益,2Mbps,低噪声增益开启
NRF24L01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+CONFIG,0x0e);
//配置基本工作模式的参数;PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式,开启所有中断
NRF24L01_CE=1;//CE 为高,10us 后启动发送
}
此部分代码我们不多介绍，在这里强调一个要注意的地方，在 NRF24L01_Init 函数里面，
我们调用了 SPI1_Init()函数，该函数我们在第十五章曾有提到，在第十五章的设置里面，SCK
空闲时为高，但是 NRF24L01 的 SPI 通信时序如图 29.3.1 所示：

图 29.3.1 NRF24L01 读写操作时序

上图中 Cn 代表指令位，Sn 代表状态寄存器位，Dn 代表数据位。从图中可以看出，SCK 空
闲的时候是低电平的，而数据在 SCK 的上升沿被读写。所以，我们需要设置 SPI 的 CPOL 和 CPHA
均为 0，来满足 NRF24L01 对 SPI 操作的要求。这里主要是修改了下面两行代码；
SPI1_Handler.Init.CLKPolarity=SPI_POLARITY_LOW; //串行同步时钟的空闲状态为低电平
SPI1_Handler.Init.CLKPhase=SPI_PHASE_1EDGE;
//串行同步时钟的第 1 个跳变沿（上升或下降）数据被采样
接下来我们看看 24l01.h 头文件部分内容：
#ifndef __24L01_H
#define __24L01_H
#include "sys.h"
//NRF24L01 寄存器操作命令
#define READ_REG 0x00 //读配置寄存器,低 5 位为寄存器地址
......//省略部分定义
#define FIFO_STATUS 0x17 //FIFO 状态寄存器;bit0,RX FIFO 寄存器空标志;
//bit1,RX FIFO 满标志;bit2,3,保留 bit4,TX FIFO 空标志;bit5,TX FIFO 满标志;
//bit6,1, 循环发送上一数据包.0,不循环;
//24L01 操作线
#define NRF24L01_CE PAout(4) //24L01 片选信号
#define NRF24L01_CSN PCout(4) //SPI 片选信号
#define NRF24L01_IRQ PAin(1) //IRQ 主机数据输入
//24L01 发送接收数据宽度定义
#define TX_ADR_WIDTH 5 //5 字节的地址宽度
#define RX_ADR_WIDTH 5 //5 字节的地址宽度
#define TX_PLOAD_WIDTH 32 //32 字节的用户数据宽度
#define RX_PLOAD_WIDTH 32 //32 字节的用户数据宽度
void NRF24L01_Init(void);
//初始化
void NRF24L01_RX_Mode(void);
//配置为接收模式
void NRF24L01_TX_Mode(void);
//配置为发送模式
u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 u8s); //写数据区
u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 u8s); //读数据区
u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg);
//读寄存器
u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg, u8 value);
//写寄存器
u8 NRF24L01_Check(void);
//检查 24L01 是否存在
u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf);
//发送一个包的数据
u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf);
//接收一个包的数据
#endif
部分代码，主要定义了一些 24L01 的命令字（这里我们省略了一部分），以及函数声明，这
里还通过 TX_PLOAD_WIDTH 和 RX_PLOAD_WIDTH 决定了发射和接收的数据宽度，也就是我们每次
发射和接受的有效字节数。NRF24L01 每次最多传输 32 个字节，再多的字节传输则需要多次传
送。特别提醒：两个 NRF24L01 模块，互相通信时，他们对应的发射和接收数据宽度必须一致，
否则将无法正常通信！
最后我们看看主函数：
int main(void)
{
u8 key,mode;
u16 t=0;
u8 tmp_buf[33];
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按键
LCD_Init();
//初始化 LCD
NRF24L01_Init();
//初始化 NRF24L01
POINT_COLOR=RED;
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"NRF24L01 TEST");
LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2019/11/15");
while(NRF24L01_Check())
{
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"NRF24L01 Error");
delay_ms(200);
LCD_Fill(30,130,239,130+16,WHITE);
delay_ms(200);
}
LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"NRF24L01 OK");
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY0_PRES)
{
mode=0;
break;
}else if(key==KEY1_PRES)
{
mode=1;
break;
}
t++;
if(t==100)LCD_ShowString(10,150,230,16,16,"KEY0:RX_Mode
KEY1:TX_Mode"); //闪烁显示提示信息
if(t==200)
{
LCD_Fill(10,150,230,150+16,WHITE);
t=0;
}
delay_ms(5);
}
LCD_Fill(10,150,240,166,WHITE);//清空上面的显示
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
if(mode==0)//RX 模式
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"NRF24L01 RX_Mode");
LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"Received DATA:");
NRF24L01_RX_Mode();
while(1)
{
if(NRF24L01_RxPacket(tmp_buf)==0)//一旦接收到信息,则显示出来.
{
tmp_buf[32]=0;//加入字符串结束符
LCD_ShowString(0,190,lcddev.width-1,32,16,tmp_buf);
}else delay_us(100);
t++;
if(t==10000)//大约 1s 钟改变一次状态
{
t=0;
LED0=!LED0;
}
};
}else//TX 模式
{
LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"NRF24L01 TX_Mode");
NRF24L01_TX_Mode();
mode=' ';//从空格键开始
while(1)
{
if(NRF24L01_TxPacket(tmp_buf)==TX_OK)
{
LCD_ShowString(30,170,239,32,16,"Sended DATA:");
LCD_ShowString(0,190,lcddev.width-1,32,16,tmp_buf);
key=mode;
for(t=0;t<32;t++)
{
key++;
if(key>('~'))key=' ';
tmp_buf[t]=key;
}
mode++;
if(mode>'~')mode=' ';
tmp_buf[32]=0;//加入结束符
}else
{
LCD_Fill(0,170,lcddev.width,170+16*3,WHITE);//清空显示
LCD_ShowString(30,170,lcddev.width-1,32,16,"Send Failed ");
};
LED0=!LED0;
delay_ms(1500);
};
}
}
以上代码，我们就实现了 29.2 节所介绍的功能，程序运行时先通过 NRF24L01_Check 函
数检测 NRF24L01 是否存在，如果存在，则让用户选择发送模式(KEY1)还是接收模式（KEY0），在确定模式之后，设置 NRF24L01 的工作模式，然后执行相应的数据发送/接收处理。至此，我们整个实验的软件设计就完成了。
29.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，可以看到LCD 显示如图 29.4.1 所示的内容（默认 NRF24L01 已经接上了）：

图 29.4.1 选择工作模式界面

通过 KEY0 和 KEY1 来选择 NRF24L01 模块所要进入的工作模式，我们两个开发板一个选择发送，一个选择接收就可以了。
设置好后通信界面如图 29.4.2 所示：

图 29.4.2 通信界面

上图中，左侧的图片来自开发板 A，工作在发送模式。右侧的图片来自开发板 B，工作在接收模式，A 发送，B 接收。图中左右图片的数据不一样，是因为我们拍照的时间不一样导致的。