37.1 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。本章我们用到的模块是深圳云佳科技生产的NRF24L01，该模块已经被很多公司大量使用，成熟度和稳定性都是相当不错的。该模块的外形和引脚图如图37.1.1所示：
图37.1.1 NRF24L01无线模块外观引脚图
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。
关于NRF24L01的详细介绍，请参考NRF24L01的技术手册。
37.2 硬件设计
本章实验功能简介：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STM32的连接情况，他们的连接关系如图37.2.1所示：
图37.2.1 NRF24L01模块接口与STM32连接原理图
这里NRF24L01也是使用的SPI2，和W25Q64以及SD卡等共用一个SPI接口，所以在使用的时候，他们分时复用SPI2。本章我们需要把SD卡和W25Q64的片选信号置高，以防止这两个器件对NRF24L01的通信造成干扰。
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ALIENTEK战舰STM32开发板来向大家演示。
37.3 软件设计
打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个NRF24L01的文件夹。然后新建一个24l01.c和24l01.h的文件保存在NRF24L01文件夹下，并将这个文件夹加入头文件包含路径。
打开24l01.c文件，输入如下代码：
#include "24l01.h"
#include "lcd.h"
#include "delay.h"
#include "spi.h"
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
//初始化24L01的IO口
void NRF24L01_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB时钟
RCC->APB2ENR|=1<<5; //使能PORTD时钟
RCC->APB2ENR|=1<<8; //使能PORTG时钟
//这里pb12和pd2拉高,是为了防止互相影响 .
//因为他们共用一个SPI口.
GPIOB->CRH&=0XFFF0FFFF;
GPIOB->CRH|=0X00030000; //PB12 推挽
GPIOB->ODR|=1<<12; //PB12上拉 防止W25X的干扰
GPIOD->CRL&=0XFFFFF0FF;
GPIOD->CRL|=0X00000300; //PD2 推挽
GPIOD->ODR|=1<<2; //PD2上拉 禁止SD卡的干扰
GPIOG->CRL&=0X00FFFFFF;
GPIOG->CRL|=0X33000000; //PG6 7 推挽
GPIOG->CRH&=0XFFFFFFF0;
GPIOG->CRH|=0X00000008; //PG8 输入
GPIOG->ODR|=7<<6; //PG6 7 8 上拉
SPI2_Init(); //初始化SPI
//针对NRF的特点修改SPI的设置
SPI2->CR1&=~(1<<6); //SPI设备失能
SPI2->CR1&=~(1<<1); //空闲模式下SCK为0 CPOL=0
SPI2->CR1&=~(1<<0); //数据采样从第1个时间边沿开始,CPHA=0
SPI2->CR1|=1<<6; //SPI设备使能
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;
SPI2_SetSpeed(SPI_SPEED_4); //spi速度为9Mhz（24L01的最大SPI时钟为10Mhz） NRF24L01_Write_Buf(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 =SPI2_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器号
SPI2_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
SPI2_ReadWriteByte(reg); //发送寄存器号
reg_val=SPI2_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=SPI2_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0;u8_ctr<len;u8_ctr++)pBuf[u8_ctr]=SPI2_ReadWriteByte(0XFF);
//读出数据
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 = SPI2_ReadWriteByte(reg);//发送寄存器值(位置),并读取状态值
for(u8_ctr=0; u8_ctr<len; u8_ctr++)SPI2_ReadWriteByte(*pBuf++); //写入数据 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;
SPI2_SetSpeed(SPI_SPEED_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(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) return TX_OK;//发送完成
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;
SPI2_SetSpeed(SPI_SPEED_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(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(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,(u8*)RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);
//写RX节点地址
NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//使能通道0的接收地址
NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通信频率
NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);
//选择通道0的有效数据宽度
NRF24L01_Write_Reg(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(WRITE_REG+CONFIG, 0x0f);
//配置基本工作模式的参数
WR_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(WRITE_REG+TX_ADDR,(u8*)TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);
//写TX节点地址
NRF24L01_Write_Buf(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(WRITE_REG+EN_AA,0x01); //使能通道0的自动应答
NRF24L01_Write_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01); //使能通道0的接收地址
NRF24L01_Write_Reg(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(WRITE_REG+RF_CH,40); //设置RF通道为40
NRF24L01_Write_Reg(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(WRITE_REG+CONFIG,0x0e);
//配置基本工作模式的参数WR_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SPI2_Init()函数，该函数我们在第二十八章曾有提到，在第二十八章的设置里面，SCK空闲时为高，但是NRF24L01的SPI通信时序如图37.3.1所示：
图37.3.1 NRF24L01读写操作时序
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的代码。保存24l01.c文件，加入到HARDWARE组下。接下来打开24l01.h，输入如下代码：
#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
void NRF24L01_RX_Mode(void); //配置为接收模式
void NRF24L01_TX_Mode(void); //配置为发送模式
u8 NRF24L01_Write_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 u8s); //写数据区
u8 NRF24L01_Read_Buf(u8 reg, u8 *pBuf, u8 u8s); //读数据区
u8 NRF24L01_Read_Reg(u8 reg); //读寄存器
u8 NRF24L01_Write_Reg(u8 reg, u8 value); //写寄存器
u8 NRF24L01_Check(void); //检查24L01是否存在
u8 NRF24L01_TxPacket(u8 *txbuf); //发送一个包的数据
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节数。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。
保存24l01.h文件，接下来我们在主函数里面写入我们的实现代码，来达到我们所要求的功能。打开test.c文件在该文件内修改main函数如下：
int main(void)
{
u8 key,mode;
u16 t=0;
u8 tmp_buf[33];
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
uart_init(72,9600); //串口初始化为9600
delay_init(72); //延时初始化
LED_Init(); //初始化与LED连接的硬件接口
LCD_Init(); //初始化LCD
usmart_dev.init(72); //初始化USMART
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,"WarShip 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,"2012/9/13");
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==KEY_RIGHT)
{
mode=0; break;
}else if(key==KEY_DOWN)
{
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) {t=0; LED0=!LED0;}//大约1s钟改变一次状态
};
}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);
};
}
}
至此，我们整个实验的软件设计就完成了。
37.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32开发板上，可以看到LCD显示如图37.4.1所示的内容（默认NRF24L01已经接上了）：
图37.4.1 选择工作模式界面
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。
设置好后通信界面如图37.4.2所示：
图37.4.2 通信界面
上图中，左侧的图片来自开发板A，工作在发送模式。右侧的图片来自开发板B，工作在接收模式，A发送，B接收。图中左右图片的数据不一样，是因为我们拍照的时间不一样导致的。
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