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STM32——2.4G无线通信实验

news 来源：原创 2024/5/8 10:12:48

一、NRF24L01

简介：NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信芯片，采用FSK调制，集成NORDIC自家的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度最高可达2Mbps。NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的连接到MCU上面。

特点：

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，高效的GFSK调制，抗干扰能力强。

3、126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、可设置自动应答，确保数据可靠传输。

模块介绍：

GND VCC接3.3V

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。

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。中断时变为低信号，在以下三种情况变低：Tx FIFO发完并且收到ACK应答（ACK使能的情况下）、Rx FIFO收到数据、达到最大重发次数。

SPI时序：

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）

二、工作模式介绍

NRF24L01的工作模式，由CE和CONFIG寄存器（0X00）的PWR_UP（第1位）和PRIM_RX（第0位）位共同控制：

1-->0的意思是先设置为1过一段时间再设为0的情况

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。

Enhanced ShockBurstTM模式介绍：

Enhanced ShockBurstTM收发模式，使用片内的先入先出堆栈区，数据可以低速从微控制器送入，然后高速（1Mbps/2Mbps）发射，这样可以尽可能节能。

与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，该做法的好处：

1、节能；

2、低的系统费用（低速微处理器也能进行高速射频发射）

3、数据在空中停留时间短，抗干扰能力强。

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校验码移去。在发送数据的时候，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。

Enhanced ShockBurstTM模式：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便发送方检测数据有无丢失，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以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路不同的数据。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个发送端进行识别。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位共用地址（由通道1设置）。所有的数据通道都可以设置为Enhanced ShockBurst模式。

PTX6发送的数据放在Pipe0，其它的一一对应

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同，以确保收到正确的应答信号。

Enhanced ShockBurstTM发送流程：

1、把地址和要发送的数据按时序送入NRF24L01；

2、配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式；

3、微控制器把CE置高（至少10us），激发Enhanced ShockBurstTM发射；

4、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。

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（主要为了使能Auto Ack）RX_ADDR_P0

3、使能AUTO ACK EN_AA

4、使能PIPE0 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

频率计算公式：2400+RF_CH(Mhz)

Enhanced ShockBurstTM接收流程：

1、配置接收地址和要接收的数据包大小；

2、配置CONFIG寄存器，使其进入接收模式，把CE置高；

3、130us后，NRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；

4、当接收到正确的数据包（正确的地址和CRC校验码），NRF24L01自动把字头、地址和CRC校验位移去。

5、NRF34L01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；

6、微控制器把数据从FIFO读出（0X61指令）；

7、所有数据读取完毕之后，可以清除STATUS寄存器。NRF24L01可以进入四种主要的模式之一；

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PIPE0 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;

SPI指令：

三、寄存器介绍

1、配置寄存器（CONFIG，0X00）

2、自动应答使能寄存器（EN_AA，0X01）

3、RX地址使能寄存器（EN_RXADDR，0X02）

4、自动重发设置寄存器（SETUP_RETR，0X04）

5、射频频率寄存器（RF_CH，0X05）

频率计算公式：2400+RF_CH（Mhz）

6、射频配置寄存器（RF_SETUP，0X06）

7、状态寄存器（STATUS，0X07）

8、数据通道0接收地址寄存器（RX_ADDR_P0，0X0A）

类似的还有通道1~5接收地址设置寄存器：RX_ADDR_P1~5，不过P1~P5共用32位高位地址，由P1设置，P2~P4只可以设置8位地址（低8位）

9、发送地址设置寄存器（TX_ADDR，0X10）

10、接收通道0有效数据宽度设置寄存器（RX_PW_P0，0X11）

类似的还有通道1~5有效数据宽度设置寄存器：RX_PW_P1~P5，对应通道1~通道5的接收有效数据宽度，方法同RX_PW_P0。

四、硬件连接

注意：NRF24L01与W25Q128共用SPI1，注意要分时复用。

三、源码

NRF24L01_Init 初始化函数

//初始化24L01IO口
void NRF24L01_Init(void)
{  
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB|RCC_AHB1Periph_GPIOG, ENABLE);//使能GPIOB，G时钟
  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
	
  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
	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	 
}

NRF24L01_TX_Mode发送模式配置函数

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
}

NRF24L01_TxPacket发送数据函数

u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf)
{
	u8 sta;
 	SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);//SPI速度为10.5Mhz（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;//其它原因发送失败
}

NRF24L01_RX_Mode接收模式配置函数

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
}

NRF24L01_RxPacket接收数据函数

u8 NRF24L01_RxPacket(u8 *rxbuf)
{
	u8 sta;		    							   
	SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8); //SPI速度为10.5Mhz（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
}