NRF24L01无线通信模块使用示例和调试心得总结

 　　nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。凭借其低功耗、传输速率高、误传率低等的优点，现已广泛应用在各种嵌入式系统中。本文就该模块总结一些学习过程中的经验和心得。

1. NRF24L01模块
 　　该模块工作电压为3.3V，当该模块与单片机相连时，两者基于SPI通信协议进行数据交换。如果有两个以上的NRF无线模块且当代码中未设置SPI片选信号时，此时可一对多通信（即一个发多个收到该信息）。其外观如下：

NRF24L01模块外观

 　　 下面是该模块的PCB图，其中CE、CSN、IRQ为控制引脚；MOSI、MISO、SCK为SPI通信引脚。上面的这些引脚均可直接接普通的IO口，而不必特意选择SPI外设对应的引脚。下面解释各个引脚的具体含义：

NRF24L01PCB封装

引脚	引脚含义
VCC、GND	电源引脚，注意务必接到3.3V的电源上
CE	使能引脚
CSN	SPI片选引脚
SCK	SPI时钟信号引脚
MOS、MISOI	SPI数据引脚
IRQ	可屏蔽中断引脚

 　　本文的示例程序应用在两个NRF24L01模块之间相互通信的场合，其通信拓扑关系如下图：

本次实验中的通信关系图  　　上图中，之所以为了添加上位机与单片机的通信，主要是为了控制和验证通信内容。

2. SPI通信协议
 　　上面提到了SPI通信协议，了解该协议的主要特点将非常有助于我们的调试工作。下面就讲一讲SPI通信协议：
 　　SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议。
 　　 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主设备数据输入）、MOSI（主设备数据输出）、SCLK（时钟）、CS（片选）。
（1）MISO– Master Input Slave Output,主设备数据输入，从设备数据输出；
（2）MOSI– Master Output Slave Input，主设备数据输出，从设备数据输入；
（3）SCLK – Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；
（4）CS – Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。
SPI通信的内部简明图如下：

 　　从图中可以看出， 主机和从机都有一个串行移位寄存器，主机通过向它的 SPI 串行寄存器写入一个字节来发起一次传输。寄存器通过 MOSI 信号线将字节传送给从机，从机也将自己的移位寄存器中的内容通过 MISO 信号线返回给主机。这样，两个移位寄存器中的内容就被交换。外设的写操作和读操作是同步完成的。如果只进行写操作，主机只需忽略接收到的字节；反之，若主机要读取从机的一个字节，就必须发送一个空字节来引发从机的传输。
 　　SPI 主要特点有： 可以同时发出和接收串行数据； 可以当作主机或从机工作； 提供频率可编程时钟； 发送结束中断标志； 写冲突保护； 总线竞争保护等。
 　　SPI 总线四种工作方式 SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果 CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（ CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。 SPI 主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。
SPI时序图如下：

SPI通信时序图

3. 软件设计
 　　 本次实验在stm32f10xxx单片机上学习NRF无线模块的通信特点。代码中主要包含：NRF24L01模块的驱动程序（如初始化、发送/接收数据等函数的编写）、串口通信等。软件流程如下：
（1）初始化NRF无线模块和其他必要的外设；
（2）进入默认发送数据状态；
（3）监控串口中断，确认是否要修改通信状态——切换发送/接收信息状态；
 　　由于代码量较大，这里只展示主函数和串口中断服务函数如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "24l01.h"
#include "timer.h"
#include "spi.h"
#include <stdio.h>
#include "usart.h"

u8 mode;
int main()
{
	u8 i;
  u8 hell[] = "Hello! NRF24L01",buff;
	mode=1;
	delay_init();
	uart_init(115200);  //设置串口波特率
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级	
	NRF24L01_Init(); //初始化NRF24L01模块
	delay_ms(50);
  while(NRF24L01_Check()) //如果通信模块有问题会通过串口向上位机发送警告信息
	{
			printf("ERROR!\n"); //向上位机报错
			delay_ms(500);
		
	}
	while(1)
	{
			if(mode)
			{
					NRF24L01_TX_Mode();
					for(i=0;hell[i]!='\0';i++)
					{
							while(NRF24L01_TxPacket(&hell[i]) != TX_OK); //发送一个字节
					}
					printf("%s",hell); //发送完后，再向上位机汇报所发送的内容
			}
			else
			{
					NRF24L01_RX_Mode();
					i = 0;
					while(NRF24L01_RxPacket(&buff));  //向上位机发送接收到的数据
					printf("%c",buff);
			}
	}
}

void USART1_IRQHandler(void)   //串口1中断服务程序，通过串口修改NRF24L01模块的工作状态
{
		if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断(接收到的数据必须是0x0d 0x0a结尾)
			{
					mode =USART_ReceiveData(USART1)-'0';	//读取接收到的数据
			}
} 

4. 总结
 　　嵌入式通信的调试工作一直是最复杂的任务之一，因此，本着开源的精神，笔者将此次调试好的、完整的C语言项目共享在公众号“24K纯学渣”上面，回复“NRF无线通信”即可获取！另外，限于作者水平，难免出现一些纰漏，以上所述如有不妥，欢迎大家评论交流！