如何在STM32F4开发板上实现无线通信？

引言

STM32F4 开发板带有一个无线模块（WIRELESS接口，采用 8 脚插针方式与开发板连接，可以用来连接 NRF24L01/RFID 等无线模块。本次实验将以 NRF24L01模块为例介绍 STM32F4 开发板上实现无线通信。在本次实验中，我们将使用两块探索者 STM32F4 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。
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。该模块的外形和引脚图如图：





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。
2 硬件设计

本实验功能简介：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 STM32F4的连接情况，他们的连接关系如图 ：





这里NRF24L01也是使用的SPI1，和W25Q128共用一个SPI接口，所以在使用的时候，他们分时复用SPI1。我们需要把W25Q128的片选信号置高，以防止这个器件对NRF24L01的通信造成干扰。
另外，NRF_IRQ和RS485_RE共用了PG8，所以，他们不能同时使用，不过我们一般用不到NRF_IRQ这个信号，因此，RS485和NRF一般也可以同时使用。由于无线通信实验是双向的，所以至少要有两个模块同时能工作，这里我们使用2套STM32F4开发板来演示。
3 软件设计

NRF24L01底层驱动函数：

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
void NRF24L01_SPI_Init(void)
{
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //失能 SPI 外设
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //工作模式：主 SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;// 8 位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //空闲状态为低电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//第 1 个跳变沿数据被采样
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS 信号软件管理
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
//预分频值为 256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;//数据传输从 MSB 位开始
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC 值计算的多项式
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //初始化外设 SPIx 寄存器
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能 SPI 外设
}
//初始化 24L01 的 IO 口
void NRF24L01_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB|RCC_AHB1Periph_GPIOG,
ENABLE);//使能 GPIOB,G 时钟
//GPIOB14 初始化设置:推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化 PB14
//GPIOG6,7 推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;//普通输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;//100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化 PG6,7
//GPIOG.8 上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN;//输入
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);//初始化 PG8
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);//PB14 输出 1,防止 SPI FLASH 干扰 NRF 的通信

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;
SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);
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 =SPI1_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器号
SPI1_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
SPI1_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器号
reg_val=SPI1_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=SPI1_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 = SPI1_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;
SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);//s24L01 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;
SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8); //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 的接收地址
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 的接收地址
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，SCK空闲时为高，但是 NRF24L01 的 SPI 通信时序如图：



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。


所以，我们在 NRF24L01_Init 函数里面又单独添加了将 CPOL 和 CPHA 设置为 0 的函数NRF24L01_SPI_Init。这里主要是修改了下面两行代码；


SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //空闲状态为低电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//第 1 个跳变沿数据被采样


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 PGout(6) //24L01 片选信号
#define NRF24L01_CSN PGout(7) //SPI 片选信号
#define NRF24L01_IRQ PGin(8) //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
......//省略部分函数申明
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。
最后我们看看主函数：


//要写入到 W25Q16 的字符串数组
const u8 TEXT_Buffer[]={"Explorer STM32F4 SPI TEST"};
#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)
int main(void)
{
u8 key,mode, tmp_buf[33];
u16 t=0;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组 2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为 115200
LED_Init(); //初始化 LED
LCD_Init(); //LCD 初始化
KEY_Init(); //按键初始化
NRF24L01_Init(); //初始化 NRF24L01
POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");
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,"2014/5/9");
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);
};
}
}


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。


4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 STM32F4 开发板上，可以看到 LCD 显示如图 所示的内容（假定 NRF24L01 模块已经接上开发板）：



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。
开发板 A 发送数据：



开发板 B 接收数据：



A发送，B 接收。可以看到收发数据是一致的，说明实验成功。