【STM32外设系列】NRF24L01无线收发模块

太陈抱不动2023-11-17 12:52

🎀 文章作者：二土电子

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文章目录

  • 一、NRF24L01简介
    • [1.1 什么是NRF24L01](#1.1 什么是NRF24L01)
    • [1.2 NRF24L01引脚介绍](#1.2 NRF24L01引脚介绍)
    • [1.3 NRF24L01工作模式](#1.3 NRF24L01工作模式)
    • [1.4 NRF24L01的SPI时序](#1.4 NRF24L01的SPI时序)
    • [1.5 Enhanced ShockBurstTM收发模式介绍](#1.5 Enhanced ShockBurstTM收发模式介绍)
      • [1.5.1 Enhanced ShockBurstTM发送流程](#1.5.1 Enhanced ShockBurstTM发送流程)
      • [1.5.2 Enhanced ShockBurstTM接收流程](#1.5.2 Enhanced ShockBurstTM接收流程)
    • [1.6 NRF24L01用途](#1.6 NRF24L01用途)
  • 二、程序设计
    • [2.1 NRF24L01初始化](#2.1 NRF24L01初始化)
    • [2.2 NRF24L01连接检测](#2.2 NRF24L01连接检测)
    • [2.3 设置为发送模式](#2.3 设置为发送模式)
    • [2.4 设置为接收模式](#2.4 设置为接收模式)
    • [2.5 发送一次数据](#2.5 发送一次数据)
    • [2.6 接收一次数据](#2.6 接收一次数据)
  • 三、无线摇杆测试
    • [3.1 NRF24L01发送端初始化程序](#3.1 NRF24L01发送端初始化程序)
    • [3.2 NRF24L01接收端初始化程序](#3.2 NRF24L01接收端初始化程序)
    • [3.3 效果展示](#3.3 效果展示)

一、NRF24L01简介

1.1 什么是NRF24L01

NRF24L01是NORDIC公司生产的一款工作在2.4GHz的无线收发模块，采用FSK调制，通常由频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体放大器、调制器、解调器等组成，可以实现点对点或者1对6的无线通信，无线通信速度最高可达2Mbps，在空旷地带通信距离可达180~240m（未实测）。

NRF24L01采用SPI通信，关于SPI通信的知识，这里就不再详细介绍了，具体可查看STM32速成笔记专栏中关于SPI的介绍。

1.2 NRF24L01引脚介绍

不太友好的是，买来的NRF24L01后发现实物上没有对应的引脚标注，这里贴一下引脚图

我们简单地介绍一下它各个引脚的功能

NRF24L01引脚 功能描述
CE 模式控制线，在CSN为低电平时，CE协同Config寄存器共同决定NRF24L01的状态（关于NRF24L01的状态后续会有介绍）
CSN SPI片选线
SCK SPI时钟线
MOSI 主机输出从机输入
MISO 主机输入从机输出
IRQ 中断信号线，中断时变为低电平，有三种中断，分别是TxFIFO发送完并收到ACK（使能ACK的情况）、RxFIFO收到数据、达到最大重发次数

1.3 NRF24L01工作模式

NRF24L01的工作模式由CE引脚电平和Config寄存器的PWR_UP和PRIM_RX为共同控制。

NRF24L01工作状态 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO寄存器状态
接收模式 1 1 高 -
发送模式 1 0 高 数据在TxFIFO中
发送模式 1 0 高--->低 停留在发送模式，直至发送完成
待机模式II 1 0 高 TxFIFO为空
待机模式I 1 - 低 无数据传输

其中收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式和ShockBurstTM收发模式，只有前者支持自动ACK和自动重发。开启了自动ACK，实际也就默认选择了Enhanced ShockBurstTM收发模式。
  Enhanced ShockBurstTM收发模式使用片内先入先出堆栈区，数据可以低速从微控制器送入，然后以高速发射。在Enhanced ShockBurstTM收发模式下，NRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码去掉。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。

1.4 NRF24L01的SPI时序

NRF24L01需要设置时钟极性为0，也就是空闲状态时SCK时钟线为低电平；时钟相位设置为0，也就是在时钟线SCK的第一个跳变沿采样数据。

1.5 Enhanced ShockBurstTM收发模式介绍

Enhanced ShockBurstTM收发模式的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，一旦检测到丢失则重发数据。在接收模式下，最多可以接收6路不同的数据，每一个数据通道使用不同的地址。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，接收端的NRF24L01可以对这6个发射端进行识别。

上面说了，可以1收6发，接收端可以识别6个不同的发送端，这是怎么做到的呢？其实上面也说了，通过不同的地址。我们举个简单的例子来说明一下。

在开始介绍例子之前我们要知道一个前提条件，无论是接收端还是发送端，他们的寄存器都是一样的，无非就是一个是接收模式一个是发送模式，知道了这个前提之后我们开始介绍。

假设NRF24L01的6个接收数据的地址分别为0x0、0x1、0x2、0x3、0x4、0x5。当第一个NRF24L01发送数据时，通过数据通道0x0发送数据，接收端的0x0寄存器收到数据之后就知道是第一个NRF24L01发送的，在给0x0地址返回一个应答信号，其他5个也是相同的原理。

简单总结一下

  • 在接收端，确认收到数据后记录地址，并一次地址为目的地址返回应答信号。
  • 在发送端，发送地址和接收地址要保持一致，以确保接收到正确的应答信号。

1.5.1 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NRF24L01进入发送模式；
  • 微控制器将CE置高（至少10us），触发Enhanced ShockBurstTM发射；

1.5.2 Enhanced ShockBurstTM接收流程

  • 配置接收地址和要接收的数据包大小（接收地址要确保和发送时配置的地址是一致的）；
  • 配置Config寄存器，使NRF24L01进入接收模式，把CE置高；
  • 130us后，NRF24L01进入监听状态，等待数据包的到来；
  • 但接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码）后，NRF24L01自动把字头、地址和CRC校验码去掉；
  • NRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位，通知控制器接收完成；
  • 微控制器利用指令把数据从FIFO中读出；
  • 所有数据读取完毕后，清除STATUS寄存器；

关于NRF24L01的指令，在后续的程序设计中会有详细介绍。

1.6 NRF24L01用途

简单了解了之后，我们用NRF24L01可以做什么呢？这里博主打算是拿NRF2401来做一辆遥控的麦克纳姆轮小车，NRF24L01充当无线遥控的功能。当然，除了做遥控手柄外，它也可以做其他的远距离无线控制，比如无线开关等。

二、程序设计

下面我们开始设计一下NRF24L01的程序，我们使用的是两个STM32F103C8T6核心板和两个NRF24L01，一个作为发送端，一个作为接收端，在开始程序设计之前我们先确定一下引脚分配。

NRF24L01引脚 主控GPIO
GND GND
VCC 3.3V
CE PB11
CSN PB12
IRQ PB10
SCK PB13
MISO PB14
MOSI PB15

我们使用的是SPI2来与NRF24L01进行通信，关于SPI2的程序这就就不再展示了，可以到STM32速成笔记专栏中查看，这里着重介绍一下NRF24L01的程序。

2.1 NRF24L01初始化

初始化包括两部分，一部分是初始化GPIO，另一部分是初始化SPI，程序设计如下

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Drv_Nrf24l01_Gpio_Init
 *函数功能：NRF24L01引脚初始化
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：用来初始化NRF24L01的CS、IRQ和CE的引脚
 *==============================================================================
*/
void Drv_Nrf24l01_Gpio_Init (void)
{
	// 结构体定义
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	// 开启时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
	
	// 配置结构体 CSN CE
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12;
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽输出
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);				
  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_10;   
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;   // 下拉输入
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

	GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_10 | GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12);   // 上拉	
}
c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_Init
 *函数功能：初始化NRF24L01
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void Med_Nrf24l01_Init (void)
{
	// 结构体定义
	SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;
	
	Drv_Nrf24l01_Gpio_Init();   // 初始化NRF24L01引脚
	
	SPI2_Init();   // 初始化SPI2
	SPI_Cmd(SPI2, DISABLE);   // 不使能SPI2，因为要针对NRF24L01重新配置结构体
	
	// 配置SPI结构体
	SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;   // SPI设置为双线双向全双工
	SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;   // SPI主机
  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;   // 发送接收8位帧结构
	SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;   // 时钟悬空低
	SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;   // 数据捕获于第1个时钟沿
	SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;   // NSS信号由软件控制
	SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;   // 定义波特率预分频的值:波特率预分频值为16
	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(SPI2,&SPI_InitStructure);   // 根据SPI_InitStruct中指定的参数初始化外设SPIx寄存器
 
	SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);   // 使能SPI外设
			 
	NRF24L01_CE = 0;   // 使能24L01
	NRF24L01_CSN = 1;   // SPI片选取消  
}

2.2 NRF24L01连接检测

连接检测的原理比较简单，我们往NRF24L01的特定寄存器写入特定值之后再读取，如果读取到的值和写入的相同，那么认为NRF24L01连接正常，程序设计如下

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_Connect_Check
 *函数功能：检查NRF24L01的连接状态
 *输入参数：无
 *返回值：0：连接正常；1：连接异常
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
u8 Med_Nrf24l01_Connect_Check (void)
{
	u8 buf[5] = {0XA5,0XA5,0XA5,0XA5,0XA5};
	u8 i;
	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_4);   // spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）   	 
	Med_Nrf24l01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG + TX_ADDR,buf,5);   // 写入5个字节的地址.	
	Med_Nrf24l01_Write_Buf(TX_ADDR,buf,5);   // 读出写入的地址
	
	for(i = 0;i < 5;i ++)
	{
		if(buf[i] != 0XA5)
		{
			break;
		}
	}
	if(i != 5)
	{
		return 1;   // 检测24L01错误
	}
	return 0;   // 检测到24L01
}

在初始化时可以进行连接检测，但是最好是加入一个超时检测，防止在NRF24L01连接异常时程序卡死。

2.3 设置为发送模式

设置NRF24L01为发送模式程序设计如下

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_TX_Mode
 *函数功能：初始化NRF24L01到TX模式
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void Med_Nrf24l01_TX_Mode (void)
{														 
	NRF24L01_CE = 0;	    
	Med_Nrf24l01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);   // 写TX节点地址 
	Med_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	  

	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01);   // 使能通道0的自动应答    
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);   // 使能通道0的接收地址  
	Med_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
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);   // 设置RF通道为40
	Med_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   
	Med_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
}

2.4 设置为接收模式

设置NRF24L01为接收模式程序设计如下

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_RX_Mode
 *函数功能：初始化NRF24L01到RX模式
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void Med_Nrf24l01_RX_Mode (void)
{
	NRF24L01_CE = 0;	  
	Med_Nrf24l01_Write_Buf(NRF_WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);   // 写RX节点地址
	
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_AA,0x01);   // 使能通道0的自动应答    
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);   // 使能通道0的接收地址  	 
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RF_CH,40);   // 设置RF通信频率		  
	Med_Nrf24l01_Write_Reg(NRF_WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);   // 选择通道0的有效数据宽度 	    
	Med_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   
	Med_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 
}

2.5 发送一次数据

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_TxPacket
 *函数功能：NRF24L01发送一次数据
 *输入参数：txbuf；要发送的数据首地址指针
 *返回值：发送完成情况
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
u8 Med_Nrf24l01_TxPacket (u8 *txbuf)
{
	u8 sta;
 	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);   // spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）   
	NRF24L01_CE = 0;
	Med_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 = Med_Nrf24l01_Read_Reg(STATUS);   // 读取状态寄存器的值	   
	Med_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
	{
		Med_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
}

2.6 接收一次数据

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Nrf24l01_RxPacket
 *函数功能：NRF24L01接收一次数据
 *输入参数：rxbuf；存储接收数据的首地址指针
 *返回值：0：接收成功；1：接收失败
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
u8 Med_Nrf24l01_RxPacket (u8 *rxbuf)
{
	u8 sta;		    							   
	SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);   // spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz）   
	sta = Med_Nrf24l01_Read_Reg(STATUS);   // 读取状态寄存器的值    	 
	Med_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
	{
		Med_Nrf24l01_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rxbuf,RX_PLOAD_WIDTH);   // 读取数据
		Med_Nrf24l01_Write_Reg(FLUSH_RX,0xff);   // 清除RX FIFO寄存器 
		return 0;
	}	   
	return 1;   // 没收到任何数据
}

三、无线摇杆测试

下面我们结合之前我们介绍的外设双轴按键PS2来简单实现无线摇杆，关于双轴按键PS2摇杆的内容，可以移步至STM32外设系列专栏查看，这里就不再指路了。

3.1 NRF24L01发送端初始化程序

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Mcu_Iint
 *函数功能：初始化系统
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void Med_Mcu_Iint (void)
{
	u8 outTimeCheck = 0;   // 超时检测变量
	
	delay_init();   //延时函数初始化
	uart_init(115200);   // 初始化串口
	ADC1_Init();   // ADC初始化
	Drv_Ps2_Gpio_Init();   // 初始化PS2摇杆引脚
	Med_Nrf24l01_Init();   // 初始化NRF24L01
	
	// NRF24L01连接检测
	printf ("Ready to check NRF24L01 connect...\r\n");
	while(Med_Nrf24l01_Connect_Check())
	{
		outTimeCheck = outTimeCheck + 1;
		delay_ms(200);
		
		// 超时退出
		if (outTimeCheck >= 100)
		{
			printf ("NRF24L01 connect error!\r\n");
			break;
		}
	}
	printf ("NRF24L01 connect ok!\r\n");
	
	Med_Nrf24l01_TX_Mode();   // 初始化为发送模式
	printf ("NRF24L01 set send mode ok!\r\n");
}

3.2 NRF24L01接收端初始化程序

c 复制代码 
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Mcu_Iint
 *函数功能：初始化系统
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
*/
void Med_Mcu_Iint (void)
{
	u8 outTimeCheck = 0;   // 超时检测变量
	
	delay_init();   //延时函数初始化
	uart_init(115200);   // 初始化串口
	ADC1_Init();   // ADC初始化
	Med_Nrf24l01_Init();   // 初始化NRF24L01
	
	// NRF24L01连接检测
	printf ("Ready to check NRF24L01 connect...\r\n");
	while(Med_Nrf24l01_Connect_Check())
	{
		outTimeCheck = outTimeCheck + 1;
		delay_ms(200);
		
		// 超时退出
		if (outTimeCheck >= 100)
		{
			printf ("NRF24L01 connect error!\r\n");
			break;
		}
	}
	printf ("NRF24L01 connect ok!\r\n");
	
	Med_Nrf24l01_RX_Mode();   // 初始化为接收模式
	printf ("NRF24L01 set receive mode ok!\r\n");
}

3.3 效果展示

最后我们来看一下实现效果

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