【正点原子探索者STM32F407开发板例程连载+教学】第38章 2.4G NRF24L01无线通信实验

Admin · 发表于 2014-12-6 18:30:38

<h1 style="text-align:center;">
<a name="_Toc402209403"></a>第三十八章  无线通信实验
</h1>

      
<div style="background-color:#E8E8E8;">
[mw_shl_code=c,true]
1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板
2.软件平台：MDK5.1
3.固件库版本：V1.4.0
[/mw_shl_code]
</div>
 



ALIENTKE探索者STM32F4开发板带有一个2.4G无线模块（NRF24L01模块）通信接口，采用8脚插针方式与开发板连接。本章我们将以NRF24L01模块为例向大家介绍如何在ALIENTEK探索者STM32F4开发板上实现无线通信。在本章中，我们将使用两块探索者STM32F4开发板，一块用于发送收据，另外一块用于接收，从而实现无线数据传输。本章分为如下几个部分：


38.1 NRF24L01无线模块简介


38.2 硬件设计


38.3 软件设计


38.4 下载验证


 

<h2 style="margin-left:0cm;">
<a name="_Toc402209404"></a>38.1 NRF24L01无线模块简介
</h2>

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38.1.1所示： 
<div style="text-align:center;">

</div>






图38.1.1
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。

<h2 style="margin-left:0cm;">
<a name="_Toc402209405"></a>38.2 硬件设计  
</h2>

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STM32F4的连接情况，他们的连接关系如图38.2.1所示：

图38.2.1
NRF24L01模块接口与STM32F4连接原理图 


       这里NRF24L01也是使用的SPI1，和W25Q128共用一个SPI接口，所以在使用的时候，他们分时复用SPI1。本章我们需要把W25Q128的片选信号置高，以防止这个器件对NRF24L01的通信造成干扰。另外，NRF_IRQ和RS485_RE共用了PG8，所以，他们不能同时使用，不过我们一般用不到NRF_IRQ这个信号，因此，RS485和NRF一般也可以同时使用。


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探索者STM32F4开发板来向大家演示。

<h2 style="margin-left:0cm;">
<a name="_Toc402209406"></a>38.3 软件设计
</h2>

打开本章实验工程可以看到，我们在工程中添加了spi底层驱动函数，因为NRF24L01是SPI通信接口。同时，我们增加了24l01.c源文件以及包含了对应的头文件用来编写NRF24L01底层驱动函数。


打开24l01.c文件，代码如下：


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


void NRF24L01_SPI_Init(void)


{


   


    SPI_InitTypeDef  SPI_InitStructure;


    SPI_Cmd(SPI1,
DISABLE); //失能SPI外设


    SPI_InitStructure.SPI_Direction
= SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //全双工


    SPI_InitStructure.SPI_Mode
= SPI_Mode_Master;   //工作模式：主SPI


    SPI_InitStructure.SPI_DataSize
= SPI_DataSize_8b;// 8位帧结构


    SPI_InitStructure.SPI_CPOL
= SPI_CPOL_Low;  //空闲状态为低电平


    SPI_InitStructure.SPI_CPHA
= SPI_CPHA_1Edge;//第1个跳变沿数据被采样


    SPI_InitStructure.SPI_NSS
= SPI_NSS_Soft;   //NSS信号软件管理


    SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler
= SPI_BaudRatePrescaler_256;


//预分频值为256


    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(SPI1,
&SPI_InitStructure);  //初始化外设SPIx寄存器


 


    SPI_Cmd(SPI1,
ENABLE); //使能SPI外设


}


 


//初始化24L01的IO口


void NRF24L01_Init(void)


{ 


GPIO_InitTypeDef 
GPIO_InitStructure;


RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB|RCC_AHB1Periph_GPIOG,


ENABLE);//使能GPIOB,G时钟


  //GPIOB14初始化设置:推挽输出


 
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

B14


//GPIOG6,7推挽输出


 
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

G6,7


//GPIOG.8上拉输入


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

G8


 


 
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);//PB14输出1,防止SPI FLASH干扰NRF的通信 


 


  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               


}


//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;


    SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);


    NRF24L01_Write_Buf(NRF_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
=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


}


//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<len;u8_ctr++)pBuf[u8_ctr]=SPI1_ReadWriteByte(0XFF);


 
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 =
SPI1_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++)SPI1_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;


    SPI1_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_8);//s24L01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


}


//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);
//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


}                      


//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(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SPI1_Init()函数，该函数我们在第三十章曾有提到，在第三十章的设置里面，SCK空闲时为高，但是NRF24L01的SPI通信时序如图38.3.1所示： 





图38.3.1 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的函数NRF24L01_SPI_Init。这里主要是修改了下面两行代码；


SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;              //空闲状态为低电平


SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;//第1个跳变沿数据被采样


接下来我们看看24l01.h头文件部分内容：


#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


 ......//省略部分函数申明


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。


最后我们看看主函数：


//要写入到W25Q16的字符串数组


const u8 TEXT_Buffer[]={"Explorer STM32F4 SPI
TEST"};


#define SIZE sizeof(TEXT_Buffer)      


int main(void)


{ 


       u8
key,mode, tmp_buf[33];


       u16
t=0;                


       NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2


       delay_init(168);  //初始化延时函数


       uart_init(115200);         //初始化串口波特率为115200


       LED_Init();                                //初始化LED 


      LCD_Init();                                //LCD初始化  


      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(30,50,200,16,16,"Explorer
STM32F4");       


       LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"NRF24L01
TEST");   


       LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");


       LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2014/5/9");


       while(NRF24L01_Check())


       {


              LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"NRF24L01
Error");


              delay_ms(200);


              LCD_Fill(30,130,239,130+16,WHITE);


             delay_ms(200);


       }


       LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"NRF24L01
OK");     


      while(1)


       {     


              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(30,150,200,16,16,"NRF24L01
RX_Mode");  


              LCD_ShowString(30,170,200,16,16,"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,lcddev.width-1,32,16,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(30,150,200,16,16,"NRF24L01
TX_Mode");  


              NRF24L01_TX_Mode();


              mode='
';//从空格键开始  


              while(1)


              {                                             


                     if(NRF24L01_TxPacket(tmp_buf)==TX_OK)


                     {


                            LCD_ShowString(30,170,239,32,16,"Sended
DATA:");     


                            LCD_ShowString(0,190,lcddev.width-1,32,16,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_Fill(0,170,lcddev.width,170+16*3,WHITE);//清空显示                     


                            LCD_ShowString(30,170,lcddev.width-1,32,16,"Send
Failed "); 


                     };


                     LED0=!LED0;delay_ms(1500);                             


              };


       }     


}


以上代码，我们就实现了38.2节所介绍的功能，程序运行时先通过NRF24L01_Check函数检测NRF24L01是否存在，如果存在，则让用户选择发送模式(KEY1)还是接收模式（KEY0），在确定模式之后，设置NRF24L01的工作模式，然后执行相应的数据发送/接收处理。


至此，我们整个实验的软件设计就完成了。

<h2 style="margin-left:0cm;">
<a name="_Toc402209407"></a>38.4 下载验证
</h2>

在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示如图38.4.1所示的内容（默认NRF24L01已经接上了）：

<div style="text-align:center;">

</div>

图38.4.1 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38.4.2和图38.4.3所示： 

 
 
 

 
<div class="WordSection1" style="font-family:Simsun;background-color:#D1D9E2;">

实验详细手册和源码下载地址：<a href="http://www.openedv.com/posts/list/41586.htm" target="_blank">http://www.openedv.com/posts/list/41586.htm </a>

</div>





正点原子探索者STM32F407开发板购买地址：<a href="http://item.taobao.com/item.htm?id=41855882779" target="_blank">http://item.taobao.com/item.htm?id=41855882779 
</a>


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