nRF24L01+RF模块教程

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

在上一个教程中，我们介绍了ESP8266-01（ESP8266 设置教程）。这是一款小巧的WiFi模块，能够让用户轻松地为他们的项目添加WiFi功能。今天，我们将讨论nRF24L01+ RF 模块。该模块是ESP8266 ESP-01的姊妹模块，旨在让用户在项目中集成无线射频通信功能。nRF24L01+和ESP8266 ESP-01具有相似的外形尺寸和引脚布局（乍一看甚至完全相同）。但是两者的控制方式和功能完全不同。在本教程中，我们将介绍使用该RF模块所需的基础知识，同时还会介绍该模块如何与其他RF模块和微控制器通信。就本教材而言，我们将演示该模块如何与Arduino Uno微控制器相连。

nRF24L01+基于Nordic Semiconductor nRF24L01+，是一种“用于2.4GHz ISM（工业、科学和医疗）频段的RF收发器IC”。

规格参数:

2.4GHz ISM 频段运行

Vcc标称电压为3.3V（耐压输入5V）

片上稳压

无线传输速率为250kbps、1Mbps、2Mbps

超低运行功耗

低电流消耗(900nAsISM频段

6个数据通道

首先，我们来介绍以下该模块的硬件部分。与ESP-01类似，该RF模块配有4×2公头接口。然而，模块的实际引脚布局与ESP-01模块不同，这是因为该RF模块利用不同的通信协议——利用不同的与其他设备通信。如果您想了解有关SPI协议的更多信息，请查看我们的Arduino Arduino通信协议教程!

RF模块的引脚布局如下图所示。此信息来源于Addicore。

图1.nRF24L01+ RF模块的引脚说明/ ©Addicore

根据设置，该RF模块属于SPI从器件，这意味着它只能与具有专用SPI通信线路的器件一起工作。因此，图中显示的SPI MOSI、MISO和SCK（时钟）引脚必须连接到微控制器上的相应引脚。在Arduino上，这些引脚的定义如下：

MOSI: Arduino D11

MISO: Arduino D12

SCK: Arduino D13

CE和CSN引脚可以连到Arduino上的任何输出GPIO引脚。在软件中，SPI通信初始化时系统会指定这些引脚。

RF模块与Arduino之间的连接示例如下：

图2.CE和CSN引脚（图中的黄色和绿色线）可以连至任意两个未使用的数字引脚。在软件中，您应该在构造RF模块对象时指定这些引脚。

为了连接Arduino与该模块，我们将使用TMRh20的RF24库。该库能够方便地将RF模块和MCU之间的低级通信打包成一个易于使用的C++类。

开始使用该模块之前，我们将首先介绍一些背景基础知识。在美国，射频设备能够使用的频率仅限于FCC分配的频率范围。ISM频段是为科学和医疗仪器保留的一个频率范围，我们的RF模块将使用该ISM范围内的频率进行通信。使用RF模块时，我们无需了解这些频率的细节或者通信是如何在这些频率上发生的。我们将专注于可以控制的无线RF通信内容。

如果滚动浏览RF24库文件，您会注意到里面有许多参数可以设置。关键参数如下所示：

信道：通信发生的特定频率信道（频率映射为0到125之间的整数)

读取通道：读取通道是指一个唯一的24位、32位或40位地址，模块从该地址读取数据

写入通道：写入通道是模块写入数据的唯一地址

功放(PA)级别：PA级别负责设定芯片的功耗，从而设定传输功率。就本教程而言（与Arduino一起使用），我们将使用最小功率设置。

RF24库文档页面提供了一些入门的优秀示例代码。示例项目的地址如下：https://tmrh20.github.io/RF24/examples.html  

接下来，我们在“Getting Started”Arduino代码中查看一下上文列出的参数是如何初始化的。“Getting Started”（入门）代码的地址如下：

https://tmrh20.github.io/RF24/GettingStarted_8ino-example.html

GettingStarted.ino

 

/*

* Getting Started example sketch for nRF24L01+ radios

* This is a very basic example of how to send data from one node to another

* Updated: Dec 2014 by TMRh20

*/

#include 

#include "RF24.h"

/****************** User Config ***************************/

/***      Set this radio as radio number 0 or 1         ***/

bool radioNumber = 0;

/* Hardware configuration: Set up nRF24L01 radio on SPI bus plus pins 7 & 8 */

RF24 radio(7,8);

/**********************************************************/

byte addresses[][6] = {"1Node","2Node"};

// Used to control whether this node is sending or receiving

bool role = 0;

void setup() {

Serial.begin(115200);

Serial.println(F("RF24/examples/GettingStarted"));

Serial.println(F("*** PRESS 'T' to begin transmitting to the other node"));

 radio.begin();

// Set the PA Level low to prevent power supply related issues since this is a

// getting_started sketch, and the likelihood of close proximity of the devices. RF24_PA_MAX is default.

radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);

 // Open a writing and reading pipe on each radio, with opposite addresses

if(radioNumber){

  radio.openWritingPipe(addresses[1]);

  radio.openReadingPipe(1,addresses[0]);

}else{

  radio.openWritingPipe(addresses[0]);

  radio.openReadingPipe(1,addresses[1]);

}

 // Start the radio listening for data

radio.startListening();

}

void loop() {

/****************** Ping Out Role ***************************/

if (role == 1)  {

 

  radio.stopListening();                                    // First, stop listening so we can talk.

 

 

  Serial.println(F("Now sending"));

  unsigned long start_time = micros();                             // Take the time, and send it.  This will block until complete

   if (!radio.write( &start_time, sizeof(unsigned long) )){

     Serial.println(F("failed"));

   }

     

  radio.startListening();                                    // Now, continue listening

 

  unsigned long started_waiting_at = micros();               // Set up a timeout period, get the current microseconds

  boolean timeout = false;                                   // Set up a variable to indicate if a response was received or not

 

  while ( ! radio.available() ){                             // While nothing is received

    if (micros() - started_waiting_at > 200000 ){            // If waited longer than 200ms, indicate timeout and exit while loop

        timeout = true;

        break;

    }     

  }

     

  if ( timeout ){                                             // Describe the results

      Serial.println(F("Failed, response timed out."));

  }else{

      unsigned long got_time;                                 // Grab the response, compare, and send to debugging spew

      radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) );

      unsigned long end_time = micros();

     

      // Spew it

      Serial.print(F("Sent "));

      Serial.print(start_time);

      Serial.print(F(", Got response "));

      Serial.print(got_time);

      Serial.print(F(", Round-trip delay "));

      Serial.print(end_time-start_time);

      Serial.println(F(" microseconds"));

  }

  // Try again 1s later

  delay(1000);

}

/****************** Pong Back Role ***************************/

if ( role == 0 )

{

  unsigned long got_time;

 

  if( radio.available()){

                                                                  // Variable for the received timestamp

    while (radio.available()) {                                   // While there is data ready

      radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) );             // Get the payload

    }

  

    radio.stopListening();                                        // First, stop listening so we can talk  

    radio.write( &got_time, sizeof(unsigned long) );              // Send the final one back.     

    radio.startListening();                                       // Now, resume listening so we catch the next packets.    

    Serial.print(F("Sent response "));

    Serial.println(got_time);

 }

}

/****************** Change Roles via Serial Commands ***************************/

if ( Serial.available() )

{

  char c = toupper(Serial.read());

  if ( c == 'T' && role == 0 ){     

    Serial.println(F("*** CHANGING TO TRANSMIT ROLE -- PRESS 'R' TO SWITCH BACK"));

    role = 1;                  // Become the primary transmitter (ping out)

 

 }else

  if ( c == 'R' && role == 1 ){

    Serial.println(F("*** CHANGING TO RECEIVE ROLE -- PRESS 'T' TO SWITCH BACK"));     

     role = 0;                // Become the primary receiver (pong back)

     radio.startListening();

    

  }

}

} // Loop

 

首先，我们需要注意文件顶部的两个C++ #include指令：一个用于包含Arduino SPI库（前文提到RF模块使用SPI与Arduino通信），另一个用于包含RF24库。

#include
#include “RF24.h”

接下来，我们需要注意构造RF24对象的这行代码：RF24 radio(7,8); 传递给构造函数的两个参数是连至模块的CE和CSN数字引脚。MOSI、MISO和SCK引脚必须分别是数字引脚11、12和13，可是CE和CSN引脚可以连接任意两个数字引脚！

接下来，我们来看一下读写通道地址。您可能猜到了，写入和读取通道地址在两个彼此通信的无线设备之间是互换的，因为一个无线设备的写入通道是另一个的读取通道。无线通讯地址的大小为24位、32位或40位。在示例代码中，这些地址是从C++字符串文字转换而来，但您也可以以二进制或十六进制格式指定它们。比如，指定为十六进制的40位地址可以是0xF0F0F0F0F0。存储写入和读取通道地址时，一个良好的编程实践是将两个值放在一个数组中。在示例代码中，写入和读取通道的地址存储在名为“地址”的字节数组中。

在void setup()方法中，我们需要说明如何使用地址通道参数和其他参数初始化无线设备。

首先，系统调用RF24::begin()方法。针对radio对象调用其它RF24库之方法之前，必须先调用begin() ，这是因为该方法负责初始化RF芯片的运行。

接下来，系统调用RF24::setPALevel() 方法，以设定功放(PA)级别。为了指定功放级别，RF24库提供了不同的常数值。更高的PA级别意味着模块可以实现更长距离的通信，但是在运行期间会消耗更多的电流。作为入门程序，我们将RF_24_LOW常数作为一个参数传递给setPALevel()方法，因为两个通信模块之间的距离不会很大。一般来讲，该RF模块与Arduino板配合使用时，我们应该保持PA级别尽可能地低，从而减少Arduino稳压电源的电流消耗。

接下来，我们将讨论如何初始化写入和读取通道。我们已经将写入和读取通道定义为一些字节值。现在，我们必须将这些定义传递给radio对象，这样它才会知道写入和读取通道地址。系统用openWritingPipe() 方法设定写入通道；用openReadingPipe()方法设定读取通道。打开写入和读取通道的示例如下：

radio.openWritingPipe(addresses[1]);

radio.openReadingPipe(1, addresses[0]);

请注意，我们还必须为openReadingPipe()方法传递一个额外的整数参数，指明初始化哪个读取通道。这是因为RF模块在给定时间最多可以打开6个读取通道！

示例代码通过一个role布尔值来适当分配读取和写入通道值。根据role的值，程序确定RF模块是ping设备还是pong设备。您的其他项目也可以使用类似代码。但是，要确保两个设备的读写地址互换，否则无法实现数据传输或读取！

调用RF24::startListening()方法之后，无线模块开始侦听。需要注意的是，指示RF模块开始监听数据之前必须初始化读取通道（即调用startListening()方法之前必须先调用openReadingPipe()方法！）

类似地，RF24类还提供了一个stopListening()方法，无线模块开始写入之前必须首先调用该方法。

在示例代码中，您可能会注意到程序利用RF24::available()方法告知无线电模块检查传入的数据。这与我们之前见过的Serial::available()和SoftwareSerial::available() 方法类似——如果RF连接上的数据可用，那么available()方法返回真，然后就可以读取数据了。

最后，RF24类提供了实际数据写入和读取的方法。RF24::write()与RF24::read()方法的参数包括（1）指向与传输数据类型相同的变量的指针，以及（2）传输数据的大小。在read()方法中，指针指向的变量负责接收正在读取的数据。在write()方法中，指针指向的变量负责保存正在写入的数据。在这两种方法中，我们必须确保指针指向与传输数据类型相同的变量，并且传递给方法的大小实际上反映了数据的大小。将不正确的类型或大小值传递给read()和write()方法可能会产生不希望的值截断，从而导致传输的数据无用。在“Getting Started”代码中，需要传输的数据是一个unsigned long类型。因此，传递给read()和write()方法的指针参数也应该指向一个unsigned long型的变量。很明显，传输数据的大小始终是unsigned long类型变量的大小。在这种情况下，大小并不需要用一个整数进行传递，大小（size）参数可以简单地写为sizeof(unsigned long)。

“Getting Started”（入门）代码中唯一没有涉及的参数是信道（communication channel）。如果需要指定具体信道（比如您有多个RF网络，不希望彼此干扰），那么可以将一个8位的整数参数传递给RF24::setChannel() 方法，以设置信道。其代码示例如下：radio.setChannel(10);  

请将两个RF模块连到两个独立的Arduino板上，并且都上传“Getting Started”（入门）代码（您必须将其中一块板的role布尔值改为1）。您现在应该能够根据相应的ping时间发送消息并且接收返回的消息了！下图是“ping”和“pong”两个串口监视器的并排截图：

图3.左：“ping”监视器语句（设备1）；右：“pong”监视器语句（设备0）

恭喜您完成nRF24L01+教程的学习！您现在已经掌握了使用这些漂亮RF模块研发相关项目的技能和知识了！要了解涉及这些RF模块的项目，您可以浏览Device Plus博客！

　　审核编辑：汤梓红