如何去实现NRF24L01模块的2.4G无线通信呢

2.4G无线通信的原理是什么？
如何去实现NRF24L01模块的2.4G无线通信呢？

李蕊

2021-12-17 09:38:02

2.4G无线通信实验

  2.4G无线通信一般是通过两个设备进行通信，最高速率可达到2Mbps，抗干扰能力强。一般的可以进行1对6的通信，一般是1个接收，6个发送。
一、模块简介

  本次2.4G通信使用的是NRF24L01，如图所示

CE：模式控制线。在 CSN为低的
情况下，CE 协同CONFIG 寄存器
共同决定NRF24L01 的状态（参照
NRF24L01 的状态机）
CSN：SPI片选线
SCK：SPI时钟线
MOSI：SPI数据线(主机输出，从机输入)
MISO：SPI数据线(主机输入，从机输出)
IRQ：中断信号线。中断时变为低电平，在以下三种情况变低：Tx FIFO 发完并且收到ACK（使能ACK情况下）、Rx FIFO 收到数据、达到最大重发次数。

空闲状态SCK为0，CPOL=0；数据在时钟第一个时间边沿采集，CPHA=0；
Cn：SPI命令位
Sn：STATUS寄存器位
Dn：数据位（ MSB，多字节传输时，低字节在前）

其中，收发模式又有： Enhanced ShockBurstTM收发模式和ShockBurstTM收发模式，只有Enhanced ShockBurstTM收发模式支持自动ACK和自动重发。开启自动ACK，则默认选择Enhanced模式。一般的都是用的 Enhanced ShockBurstTM收发模式。
PS：在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，在发送模式下，置CE为高，至少10us，将使能发送过程。也就是发送模式时，PWR_UP由高变低时，需要有个至少10us的延时。
  二、Enhanced ShockBurstTM模式介绍

  Enhanced ShockBurst TM 模式：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便发送方检测有无数据丢失，一旦丢失则重发数据。重发数据设置在地址为 0X04 的数据重发设置寄存器用于设置其重发次数及设置在未收到应答信号后等待重发的时间。
在接收模式下，最多可以接收6路不通的数据。每一个数据通道使用不同的地址，但是共用相同的频道。也就是说6 个不同的NRF24L01 设置为发送模式后可以与同一个设置为接收模式的NRF24L01 进行通讯，而设置为接收模式的NRF24L01可以对这6 个发射端进行识别。数据通道0 是唯一的一个可以配置为40 位自身地址的数据通道。1~5 数据通道都为8 位自身地址和32 位公用地址(由通道1设置)。所有的数据通道都可以设置为Enhanced ShockBurst 模式。

在接收端，确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号。
  在发送端，通道0被用作接收应答信号，因此通道0的接收地址要与发送地址端地址相等，以确保接收到正确的应答信号。
PS:通道0的地址不能更改，通道1-5的地址只有最后两位能进行更改。
  三. 编程

  1.初始化IO口

//初始化24L01的IO口

void NRF24L01_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE );

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ; //推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_4);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU  ; //上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4);
SPI1_Init(); //初始化SPI

SPI_Cmd(SPI1, DISABLE); //

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;  //设置SPI单向或者双向的数据模式:SPI设置为双线双向全双工
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //设置SPI工作模式:设置为主SPI
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //设置SPI的数据大小:SPI发送接收8位帧结构
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; //选择了串行时钟的稳态:时钟悬空低电平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; //数据捕获于第一个时钟沿
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信号由硬件（NSS管脚）还是软件（使用SSI位）管理:内部NSS信号有SSI位控制
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; //定义波特率预分频的值:波特率预分频值为256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定数据传输从MSB位还是LSB位开始: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);  //根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器

NRF24L01_CE=0; //使能24L01
NRF24L01_CSN=1; //SPI片选取消
}
注意：NRF24L01与W25Q64和SD卡共用SPI1，注意要分时复用！！
  2.Enhanced ShockBurstTM发送流程

把地址和要发送的数据按时序送入NRF24L01；
配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式；
微控制器把CE置高（至少10us），激发Enhanced ShockBurstTM发射；
Enhanced ShockBurstTM发射：① 给射频前端供电；②射频数据打包(加字头、CRC校验码)； ③ 高速发射数据包； ④发射完成，NRF24L01进入空闲状态。

//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);//spi速度为9Mhz（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
}
3.Enhanced ShockBurstTM发送模式初始化

1）写Tx 节点的地址 TX_ADDR
2）写Rx 节点的地址（主要是为了使能Auto Ack） RX_ADDR_P0
3）使能AUTO ACK EN_AA
4）使能PIPE 0 EN_RXADDR
5）配置自动重发次数 SETUP_RETR
6）选择通信频率 RF_CH
7）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） RF_SETUP
8）配置24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。

//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
}
4.Enhanced ShockBurstTM接收流程

配置接收地址和要接收的数据包大小；
配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，把CE置高。
130us后，NRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；
当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，NRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去；
NRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位(STATUS一般引起微控制器中断)通知微控制器；
微控制器把数据从FIFO读出(0X61指令)；
所有数据读取完毕后，可以清除STATUS寄存器。NRF2401可以进入
四种主要的模式之一；

//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); //spi速度为9Mhz（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
}
5.Enhanced ShockBurstTM接收模式初始化

  1）写Rx 节点的地址 RX_ADDR_P0
2）使能AUTO ACK EN_AA
3）使能PIPE 0 EN_RXADDR
4）选择通信频率 RF_CH
5）选择通道0 有效数据宽度 RX_PW_P0
6）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） RF_SETUP
7）配置24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。

//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
}
6.读函数

//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
}
7.写函数

//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
}
//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
}

何朝燕

2021-12-17 09:38:06

8.主函数

#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "lcd.h"
#include "key.h"
#include "spi.h"
#include "24l01.h"
//ALIENTEK Mini STM32开发板范例代码24
//无线通信实验
//技术支持：www.openedv.com
//广州市星翼电子科技有限公司

int main(void)
{
u8 key,mode;
u16 t=0;
u8 tmp_buf[33];
delay_init();            //延时函数初始化
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2
uart_init(9600);      //串口初始化为9600
LED_Init();       //初始化与LED连接的硬件接口
LCD_Init();    //初始化LCD
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(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"NRF24L01 TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2014/3/12");
while(NRF24L01_Check()) //检查NRF24L01是否在位.
{
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"NRF24L01 Error");
delay_ms(200);
LCD_Fill(60,130,239,130+16,WHITE);
delay_ms(200);
}
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"NRF24L01 OK");
while(1)//在该部分确定进入哪个模式!
{
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(60,150,200,16,16,"NRF24L01 RX_Mode");
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"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(0,190,239,32,16,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(60,150,200,16,16,"NRF24L01 TX_Mode");
NRF24L01_TX_Mode();
mode=' ';//从空格键开始
while(1)
{
if(NRF24L01_TxPacket(tmp_buf)==TX_OK)
{
LCD_ShowString(60,170,239,32,16,"Sended DATA:");
LCD_ShowString(0,190,239,32,16,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_ShowString(60,170,239,32,16,"Send Failed ");
LCD_Fill(0,188,240,218,WHITE);//清空上面的显示
};
LED0=!LED0;
delay_ms(1500);
};
}
}
总结

  总的来说，2.4G无线通信的原理和其他通信原理大同小异，基本就是几大步骤：发信息，收信息，读信息，写信息。然后2.4G无线通信还加了一个模式选择，一般选择是Enhanced ShockBurstTM这个模式，这个模式可以支持自动ACK和自动重发。然后，博主的代码是对于stm32mini板的程序，1-7步骤主要是对2.4G通信的初始化，要注意的是NRF24L01与W25Q64和SD卡共用SPI1，注意要分时复用。然后8就是主函数，能实现的功能就是通过按键0和按键1，来控制是接受模式还是发送模式，然后就进行发送或者接受。如果为发送模式，发送的是32个ASCLL码，从空格开始，一直到~。对于2.4G通信博主也只是初了解，这个程序也是从别处白嫖过来的，如有错误，请指正。

李娜

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李蕊

何朝燕

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李娜