詳解nRF24L01無線收發(fā)模塊設(shè)計

前面我們介紹過單片機的幾種通信協(xié)議，并且初步了解如何操作寄存器進而控制芯片的工作等等。那么，今天我們將利用之前的知識來對無線收發(fā)模塊編寫驅(qū)動程序。

首先，介紹我們今天用到的無線收發(fā)模塊——NRF24L01芯片

nRF24L01簡介 ：nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。

管腳圖：

各個管腳的具體功能可自行參考數(shù)據(jù)手冊，由于高頻信號對線路設(shè)計要求十分嚴格，我們沒有必要去手焊電路，直接采用現(xiàn)成模塊即可。

接線圖：

從它的接線圖也很容易可以看出它是利用SPI與單片機進行通信的，而且有5根線需要與單片機I/O口連接。

以上為硬件部分連接，接下來具體講一講 軟件設(shè)計 。

我們拿到一塊芯片，肯定要先看它的數(shù)據(jù)手冊，了解它是如何工作的，然后還得重點了解一下這塊芯片到底有哪些寄存器，這些寄存器的地址是什么，控制字是什么，時序圖怎么樣。所以我們從寄存器開始入手。

nRF24L01有多達25個寄存器，其中大部分是8位的，有兩個數(shù)據(jù)緩沖器是32字節(jié)的，還有3個是40位的（發(fā)送地址和通道0、通道1接收地址），我們選擇其中幾個寄存器來進行說明。

名稱：CONFIG 地址：00H

作用：可以用來決定是否屏蔽發(fā)送完成中斷、接收完成中斷、最大重發(fā)次數(shù)中斷，還有芯片是上電還是掉電，工作在發(fā)射模式還是接收模式等。

名稱：EN_AA 地址：01H

作用：用來使能各個通道的應(yīng)答

名稱：RX_ADDR 地址：02H

作用：接收地址允許位

名稱：SETUP_AW 地址：03H

作用：用來設(shè)置地址寬度（3、4、5字節(jié)）

名稱：SETUP_RETR 地址：04H

作用：建立自動重發(fā)，高四位決定自動重發(fā)的延時，低四位決定重發(fā)次數(shù)

名稱：STATUS 地址：07H

作用：這是一個狀態(tài)寄存器，從名字可以看出這個寄存器是描述狀態(tài)的。高4位可讀可寫，最高位保留，其中bit6 ~ bit4分別可以產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)中斷、發(fā)送數(shù)據(jù)中斷、最大重發(fā)次數(shù)中斷。bit3~bit1可以判斷是哪個通道獲得數(shù)據(jù)，只能讀不能寫，最低位保留。

名稱：RX_ADDR_P0 地址：0AH

作用：它是數(shù)據(jù)通道0的接收地址，最多5個字節(jié)，從低字節(jié)開始，字節(jié)數(shù)量由前面的SETUP_AW決定，還有10H的發(fā)送地址，需要與這個地址一致

還有一些其他的寄存器就不多說了。這些寄存器大部分是比較重要的，我們在寫芯片的初始化程序的時候，就是對這些寄存器進行配置。（注意：我們在寫芯片的驅(qū)動程序，基本上是從芯片的初始化開始的，而芯片要初始化，當然要搞清楚它的各個寄存器地址、作用，才能進行配置）

上面提到的自動重發(fā)可能會不理解，原來一個發(fā)送過程并不只是發(fā)送機獨自一個人的事情。一開始， 發(fā)送機發(fā)送連同身份地址在內(nèi)的數(shù)據(jù)包給接收機，接收機收到數(shù)據(jù)并確認正確后，就以剛才發(fā)送機發(fā)來的身份地址回發(fā)一個確認信號，而此時發(fā)送機會自動切換到接收狀態(tài)，當收到確認信號與通道0的地址進行比較，地址相吻合，就知道對方收到數(shù)據(jù)，這樣一次發(fā)送數(shù)據(jù)才算完畢。當然，這個過程是模塊內(nèi)部自動完成的，不用人為干預(yù)。因此這就叫做增強模式。在這個過程中發(fā)送雙方都最少各有一次發(fā)送和接收的過程。這樣就保證了數(shù)據(jù)可靠收到。如果發(fā)送一次，接收機沒有收到，模塊具有允許重發(fā)，和重發(fā)次數(shù)設(shè)置寄存器，當你設(shè)置了允許重發(fā)，并設(shè)置好重發(fā)次數(shù)。在發(fā)送機發(fā)送完-一個數(shù)據(jù)包，等待會兒， 如果沒有接收到應(yīng)答信號， 發(fā)送機就會重發(fā)一次，如此直到重發(fā)完你設(shè)定的次數(shù)，再收不到它就產(chǎn)生一個中斷信號給IRQ,告訴模塊沒有發(fā)送成功，由程序根據(jù)情況再決定是否重發(fā)。

除了寄存器之外，還有芯片的一些命令格式也要注意

那么要如何來理解上面這張表呢？我們可以看一下。指令R_REGISTER和指令W_REGISTER的前三位可以確定是讀還是寫，如果是000就是讀，如果是001就是寫，后面的5位是寄存器的地址。合起來就構(gòu)成了一個8位字節(jié)，就可以確定對哪個寄存器進行讀或?qū)懥?。我們可以將R_REGISTER宏定義為0x00，如果某個寄存器A的地址為0x12，那么指令（R_REGISTER+A）不就是對寄存器A進行讀的操作嗎？那有人可能會問，萬一寄存器地址很大，他們加起來不就會讓高三位超過000和001嗎？在這里是不可能的，后面的5位地址可以有32個寄存器，而這塊芯片沒有這么多寄存器，因此不會超過。前兩個指令也就很好理解了。

后面的幾個指令都是專用指令，只要發(fā)送相應(yīng)的代碼，就會執(zhí)行右邊說明的操作，比如發(fā)送指令W_RX_PAYLOAD，那么就是往TX FIFO寄存器里寫數(shù)據(jù)。也很好理解。

指令和寄存器都介紹完了，因此，我們可以先建一個頭文件，把各個寄存器的地址和指令先用宏定義好。（部分截圖如下）

這些寄存器的名稱、作用和地址都是從數(shù)據(jù)手冊上可以直接獲取的，我們以宏的形式將它們封裝好。

然后是它的時序圖

上圖就是NRF24L01模塊與單片機建立通訊的時序圖?？炊怯脝纹瑱C控制這個模塊，與它建立通訊的基礎(chǔ)條件。很多串行通訊設(shè)備都采用這種方式，也叫SPI.它一般有四根連線:第一根是片選信號線，單片機可以同時連接多個功能相同或不同的模塊，為了節(jié)省輸入輸出(I/0)信號線的資源，一般都將多個模塊連接在相同的SCK、MOSI、 MIS0線 上，這叫串行總線。那單片機發(fā)出指令后，模塊怎么知道指令是發(fā)給自己的而不是發(fā)給其它模塊的呢?這就靠每個模塊上和單片機專線連接的CSN片選信號線，平時CSN是 高電位的，當把這根線的電位拉低那一時刻，模塊就知道單片機要給自己發(fā)指令了。

從時序圖上我們可以看出 ，讀操作的時候，主機先發(fā)送指令位，同時接收從機的狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)，然后再接收從機發(fā)送的數(shù)據(jù)。寫操作時，一樣是主機先發(fā)送指令位，同時接收從機的狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送你要的數(shù)據(jù)。

而且，根據(jù)經(jīng)驗，在利用SPI通信時，我們至少要寫這兩部分的程序，一個是發(fā)送/接收一個字節(jié)，這一部分的寫法是固定的，完全可以照抄。另一個是根據(jù)時序，對芯片的讀寫操作。

但是在這里，稍稍有點不同的是，因為有兩個寄存器是32個字節(jié)的，還有3個是5個字節(jié)的，其他的都是8位的寄存器，因此，這些寄存器的讀寫程序要單獨寫。根據(jù)以上分析，我們可以寫出如下4個程序。

uint SPI_RW(uint dat) //利用SPI單獨寫一個字節(jié)，并返回狀態(tài)值

/ 這是最基本的一個函數(shù)，幾乎所有函數(shù)都要調(diào)用這個函數(shù)，它就是將一個8位字節(jié)從高位開始 ，一位一位的放到數(shù)據(jù)總線上，由于左移位后會補0，因此低位也可以順便接收來自MISO總線上的數(shù)據(jù)，作為返回值。 /

當然，執(zhí)行一次這個函數(shù)并不算是一次通信，一次通信至少要發(fā)送兩個字節(jié)，地址和指令，于是有了下面的函數(shù)。

uchar NRF24L01_Read(uchar reg) //讀出一個寄存器的數(shù)據(jù)，發(fā)送寄存器地址（包括讀寫位+地址）用以選擇寄存器，然后執(zhí)行空操作NOP，目的是讀出數(shù)據(jù)。（空操作是一種指令格式，上面有提到）

uint NRF24L01_write_Reg(uchar reg, ucharvalue) //往一個寄存器里寫一個字節(jié)，并且返回寄存器狀態(tài)值

uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)

/ 讀出緩沖寄存器里的數(shù)據(jù)，最多32個字節(jié)，這個與上面的讀其實是類似的，只不過這個加了個for循環(huán)，目的是讀出多個字節(jié) /

uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)

/ 往緩沖寄存器里寫數(shù)據(jù)，至多32個字節(jié) /

以上幾個程序的編程思路是比較經(jīng)典的編程思路，從發(fā)送字節(jié)開始，到芯片發(fā)送寄存器地址和命令。（源碼將在文末附上）

寫完這幾個函數(shù)，也就完成了工作的一半了。然后我們還要編寫一個發(fā)射成功的判斷函數(shù)和一個接收成功的判斷函數(shù)，可以通過這個函數(shù)的返回值來判斷是否接收或者發(fā)送成功。

在main函數(shù)的第一句，我們還可以編寫一個函數(shù)，用來檢測24L01是否存在。當然，不寫這個也可以。

前面部分的編程都只能算是準備階段，從芯片的初始化開始才能算是真正的編程。

所以，接下來，我們得利用前面寫好的這些函數(shù)，來對芯片進行初始化。

初始化主要有以下幾個方面

（1）設(shè)置接收數(shù)據(jù)長度

（2）寫TX節(jié)點地址

（3）設(shè)置RX節(jié)點地址,主要為了使能ACK

（4）使能通道0的自動應(yīng)答（多通道暫不考慮）

（5）使能通道0的接收地址

（6）設(shè)置自動重發(fā)間隔時間和最大自動重發(fā)次數(shù)

（7）設(shè)置RF通道為0 收發(fā)必須一致，0為2.4GHz

（8）設(shè)置TX發(fā)射參數(shù),0db增益,1Mbps,低噪聲增益開啟

（9）配置基本工作模式的參數(shù);PWR_UP,EN_CRC,16BIT_CRC,接收模式,開啟所有中斷

這些可以參考數(shù)據(jù)手冊的寄存器部分。

到這里，我們就可以在main函數(shù)里開始調(diào)用前面編寫的程序了。

進入main函數(shù)，首先是調(diào)用初始化程序，然后就可以讀取緩沖寄存器里的值或者是寫入數(shù)據(jù)。main函數(shù)部分根據(jù)用戶需要編寫。比如發(fā)射機可以用按鍵按下來發(fā)送數(shù)據(jù)，接收機則通過查看IRQ管腳來判斷是否接收到數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后再執(zhí)行你要的程序，比如控制小燈亮等等。

最后，我們來理一下編程思路

①首先，我們先明確了它是利用SPI的通信方式來對芯片控制的。不管是什么通信，無非就是讀和寫操作而已。讀和寫無非就是發(fā)送地址+命令。通常有一位是讀寫方向位的，這個查看手冊就可以知道。因此，肯定要先編寫一個“發(fā)送函數(shù)”，把字節(jié)發(fā)送出去，其實也就是單片機通過MOMI輸出高低電平而已。然后，前面也提到過，發(fā)送一個字節(jié)是沒有意義的，一次通信至少要包含兩個字節(jié)，第一個字節(jié)包含了讀寫的方向位以及待操作寄存器的地址，第二個字節(jié)是具體的命令。我們將發(fā)送這兩個字節(jié)的語句，結(jié)合時序“打包”在一起，就是對芯片寄存器的讀寫函數(shù)了。寫可以理解成先發(fā)送地址（同時返回狀態(tài)值），再發(fā)送命令。讀可以理解成先發(fā)送地址，再執(zhí)行空語句（執(zhí)行空語句的目的是為了讀出寄存器值）。

②上一步是實現(xiàn)了對寄存器讀寫一個字節(jié)，但是我們知道有的寄存器不止一個字節(jié)，比如發(fā)送地址和接收地址都有5個字節(jié)，發(fā)射接收緩沖器有32個字節(jié)等。因此我們可以編寫一個函數(shù)，連續(xù)讀出或者寫入多個字節(jié)，實現(xiàn)也很簡單，就是定義一個數(shù)組，讀的話就把數(shù)據(jù)讀出放入到這個數(shù)組中，寫的話就是把你數(shù)組里的內(nèi)容寫進去。

③以上兩步是如何實現(xiàn)讀和寫。這還不夠，我們還得搞清楚具體讀寫什么內(nèi)容。這就得回到它的各個寄存器上去了。我們要根據(jù)手冊的說明，看各個寄存器有什么用，這在前面已經(jīng)講過了。主要是在初始化程序中比較重要。

④光有讀和寫不夠，我們還得知道每一次通信是否成功。因此，還得編寫兩個函數(shù)。比如接收，我們要先讀出狀態(tài)寄存器STATUS的值，來判斷是否接收成功，接收成功是會產(chǎn)生接收中斷的，我們看相應(yīng)的位就能知道有沒有接收成功了。如果接收成功，我們把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到我們自己定義的一個數(shù)組中，方便使用。如果是發(fā)送，我們只要把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放在數(shù)組里，然后發(fā)送出去即可，然后還要讀取狀態(tài)寄存器的值，看是否發(fā)送成功，或者是否達到最大重發(fā)次數(shù)，返回相應(yīng)的值。

⑤有了上面的這些基礎(chǔ)，我們就可以在main函數(shù)里先進行初始化，然后寫我們的發(fā)射程序和接收程序了。在發(fā)射函數(shù)里，每次先配置一下寄存器CONFIG，然后再利用我們前面的程序發(fā)射。接收比較簡單，只要看IRQ是否產(chǎn)生中斷即可。

以上就是整個編程思路。