Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module：打造灵活无线通信解决方案

在电子设计领域，无线通信模块的选择对于项目的成功至关重要。Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module 以其独特的特性和丰富的功能，为工程师们提供了一个强大而灵活的无线通信解决方案。本文将深入介绍这款模块的各个方面，包括其概述、引脚布局、组装、电源管理、Arduino IDE 配置、代码适配以及无线电使用等内容。

文件下载：3178.pdf

一、模块概述

Adafruit Feather M0 RFM95 LoRa Radio 是一款集成了长距离（LoRa）数据包无线电收发器的微控制器，内置 USB 和电池充电功能。其核心采用 ATSAMD21G18 ARM Cortex M0 处理器，时钟频率为 48 MHz，逻辑电压为 3.3V，拥有 256K 的 FLASH 和 32K 的 RAM。该模块尺寸小巧，仅 2.0" x 0.9" x 0.3"（51mm x 23mm x 8mm），重量仅 5.8 克，非常适合便携式项目。

此外，它还具备丰富的接口和功能，如 20 个 GPIO 引脚、硬件串口、硬件 I2C 和 SPI 支持、8 个 PWM 引脚、10 个模拟输入和 1 个模拟输出等。同时，模块还内置了 100mA 锂聚合物充电器和充电状态指示灯 LED，方便用户使用和监测电池状态。

这款 LoRa 无线电模块使用 RFM9x LoRa 868/915 MHz 无线电模块，适用于小数据包传输，在需要比 2.4 GHz 更远传输距离的场景中表现出色。其功率输出范围为 +5 至 +20 dBm，最高可达 100 mW，睡眠模式下功耗约为 300uA，+20dBm 发射时峰值电流约为 120mA，主动监听时约为 40mA。在默认库设置下，使用线四分之一波天线，视距传输距离可达 1.2 英里/2 公里，通过调整设置和使用定向天线，传输距离可达 20 公里。

二、引脚布局

（一）电源引脚

• GND：所有电源和逻辑的公共接地端。
• BAT：连接可选锂聚合物电池的 JST 插孔的正电压。
• USB：连接微 USB 插孔时的正电压。
• EN：3.3V 稳压器的使能引脚，上拉，接地可禁用 3.3V 稳压器。
• 3V：3.3V 稳压器的输出，可提供 500mA 峰值电流。

（二）逻辑引脚

逻辑引脚为微控制器的通用 I/O 引脚集，逻辑电压均为 3.3V，几乎所有引脚都可进行 PWM 输出，且都可作为中断输入。常见引脚功能如下：

• #0 / RX：GPIO #0，也是 Serial1（硬件 UART）的接收（输入）引脚，也可作为模拟输入。
• #1 / TX：GPIO #1，也是 Serial1 的发送（输出）引脚，也可作为模拟输入。
• #20 / SDA：GPIO #20，也是 I2C（Wire）数据引脚，默认无上拉电阻，使用 I2C 时可能需要 2.2K - 10K 上拉电阻。
• #21 / SCL：GPIO #21，也是 I2C（Wire）时钟引脚，默认无上拉电阻，使用 I2C 时可能需要 2.2K - 10K 上拉电阻。
• A0：该引脚既是模拟输入 A0，也是具有 DAC（数模转换器）的模拟输出引脚，可将原始电压设置为 0 至 3.3V 之间的任意值。

（三）RFM/SemTech 无线电模块引脚

由于 Feather 尺寸较小，并非所有引脚都能引出到扩展板，因此使用以下引脚控制无线电模块：

• #8：用作无线电 CS（芯片选择）引脚。
• #3：用作无线电 GPIO0 / IRQ（中断请求）引脚。
• #4：用作无线电复位引脚。

（四）其他引脚

• RST：复位引脚，接地可手动复位 AVR 并手动启动引导加载程序。
• ARef：模拟参考引脚，通常参考电压与芯片逻辑电压相同（3.3V），若需要替代模拟参考，可连接到该引脚并在固件中选择外部 AREF，但电压不能高于 3.3V。

三、组装

Feather 模块出厂时已进行全面测试，但未安装引脚，用户可根据需求选择不同的引脚选项进行组装。

（一）引脚选项

• 普通公引脚：可将 Feather 插入无焊面包板。
• 插座母引脚：虽不能插入面包板，但便于连接 FeatherWing。
• “堆叠引脚”：兼具插入无焊面包板和连接 FeatherWing 的能力，但体积稍大。

（二）组装步骤

1. 焊接普通公引脚

• 准备引脚条：必要时将引脚条裁剪至合适长度，将其插入面包板，长引脚朝下，便于焊接。
• 安装扩展板：将扩展板放在引脚上，使短引脚穿过扩展板焊盘。
• 焊接：确保焊接所有引脚，以实现可靠的电气连接。

2. 焊接母引脚

• 固定引脚：使用胶带将插座固定在适当位置，防止翻转电路板时引脚掉落。
• 定位焊接：翻转电路板后，在每个引脚条上焊接一两个点，将引脚固定到位。
• 焊接：确保焊接所有引脚，以实现可靠的电气连接。

四、天线选项

Feather Radio 模块没有内置天线，用户可选择以下两种天线进行连接：

（一）线天线

线天线，即“四分之一波鞭状天线”，成本低且性能良好。只需将导线裁剪至合适长度，433 MHz 对应 6.5 英寸（16.5 cm），868 MHz 对应 3.25 英寸（8.2 cm），915 MHz 对应 3 英寸（7.8 cm）。将导线末端剥去 1 - 2 毫米，镀锡后焊接到 Feather 最右侧的 ANT 焊盘上即可。

（二）uFL 天线

若需要外部天线，对于未安装表面贴装 uFL 连接器的 Feather Radio 板，需自行购买 uFL 连接器（http://adafru.it/1661），Feather RP2040 RFM 板已预装。还需 uFL 到 SMA 适配器（http://adafru.it/851）和匹配无线电频率的天线。焊接 uFL 连接器时，注意将其底部的两个大侧焊盘（接地）和一个小入口焊盘焊接到 Feather 底部。连接 uFL/SMA 适配器时要小心，避免撕裂 PCB 焊盘，连接后使用应力释放装置。

五、电源管理

（一）电池与 USB 电源

Feather 模块可通过两种方式供电：

• USB 电缆：插入 USB 插孔，模块将 5V USB 电压调节至 3.3V。
• 锂聚合物（LiPo/LiPoly）或锂离子（LiIon）电池：连接到 JST 插孔，模块可使用可充电电池供电。当 USB 供电时，模块会自动切换到 USB 电源，并开始为电池充电（若电池已连接）。

（二）电源供应

模块提供多个电源引脚，包括 BAT 引脚（连接锂聚合物 JST 连接器）、USB 引脚（连接 USB 时的 +5V）和 3V 引脚（3.3V 稳压器输出）。3.3V 稳压器峰值电流为 500mA，但不能连续从 5V 获取 500mA 电流，否则会导致稳压器过热。

（三）电池测量

为方便监测电池电压，模块在 BAT 引脚连接了一个双 100K 电阻分压器，并连接到 D9（模拟 #7 A7）。通过读取该引脚电压并乘以 2，即可得到电池电压。示例代码如下：

#define VBATPIN A7
float measuredvbat = analogRead(VBATPIN);
measuredvbat *= 2; // 恢复实际电压
measuredvbat *= 3.3; // 乘以 3.3V 参考电压
measuredvbat /= 1024; // 转换为电压
Serial.print("VBat: ");
Serial.println(measuredvbat);

（四）使能引脚

若要关闭 3.3V 稳压器，可将 EN 引脚接地，此时 BAT 和 USB 引脚仍会供电。

（五）替代电源选项

• 永久安装：使用 5V 1A USB 墙式适配器，通过 USB 电缆提供可靠电源。
• 移动使用：使用 USB 电池组。
• 高电压电源：使用 5V 降压转换器，并连接到 USB 电缆的 5V 和 GND 输入。

需注意，不要使用碱性或 NiMH 电池连接到电池端口，也不要使用 7.4V RC 电池，以免损坏模块。此外，不建议直接连接外部 3.3V 或 5V 电源，可能会导致意外行为或损坏模块。

六、Arduino IDE 设置

（一）下载 Arduino IDE

首先，需要下载最新版本的 Arduino IDE，建议使用 1.8 或更高版本。

（二）添加 URL

打开 Arduino IDE，导航到“首选项”菜单，在“附加开发板管理器网址”选项中添加以下 URL：

package_adafruit_index.json https://adafruit.github.io/arduino-board-index/

添加后，点击“确定”保存新的偏好设置。

（三）安装板支持包

打开“工具” -> “开发板” -> “开发板管理器”，选择“全部”类别，搜索并安装“Arduino SAMD Boards”（版本 1.6.11 或更高）和“Adafruit SAMD”包。安装完成后，建议重启 Arduino IDE。

（四）选择开发板

在“工具” -> “开发板”菜单中选择匹配的开发板，如“Feather M0”、“Feather M0 Express”等。

（五）安装驱动（仅适用于 Windows 7 & 8）

下载并运行 Adafruit 驱动安装程序，选择要安装的驱动，点击“安装”完成安装。

（六）上传示例代码

选择“示例” -> “基础” -> “Blink”示例代码，点击“上传”，若上传成功，可看到 LED 闪烁。

七、代码适配

（一）模拟参考

若要使用 ARef 引脚进行非 3.3V 模拟参考，使用 analogReference(AR_EXTERNAL) 代码。

（二）引脚输出与上拉

对于 M0 & M4 板，使用 pinMode(pin, INPUT_PULLUP) 代替旧的 pinMode(pin, INPUT) 和 digitalWrite(pin, HIGH) 方式。

（三）串口与 SerialUSB

在 Adafruit M0/M4 核心中，Serial 可直接用于 USB 通信。若使用官方 Arduino SAMD 核心，需使用 SerialUSB 代替 Serial。

（四）模拟写入 / PWM

Feather M0 上的某些引脚可进行 PWM 输出，但部分引脚（如模拟引脚 A5）无法进行 PWM。同时，在使用 analogWrite() 时，需注意其 PWM 范围与 AVR 不同。

（五）缺失头文件

若代码中使用了 M0 核心不支持的库，可使用 #ifdef 进行条件编译，避免编译错误。

（六）引导加载程序启动

对于 M0/M4 板，需双击复位按钮启动引导加载程序，进入引导加载程序模式后，红色 LED 会闪烁。

（七）对齐内存访问

在 32 位平台上，避免直接进行变量类型转换，可使用 memcpy() 函数进行数据复制。

（八）浮点转换

M0 库不支持完整的浮点转换，可参考相关线程找到可用的 dtostrf 函数。

（九）可用 RAM 监测

可使用以下函数监测可用 RAM：

extern "C" char *sbrk(int i);
int FreeRam () {
  char stack_dummy = 0;
  return &stack_dummy - sbrk(0);
}

（十）数据存储在 FLASH

在 ARM 平台上，在变量名前添加 const 可将变量或字符串存储在 FLASH 中。

（十一）M4 性能选项

在 Arduino 开发板管理器的 Adafruit SAMD Boards 包版本 1.4.0 及以上，可通过“工具”菜单调整 M4 设备的性能选项，如 CPU 速度（超频）、优化、缓存、Max SPI 和 Max QSPI 等。但这些调整可能会带来不确定性，若遇到问题，可选择默认性能设置并重新上传代码。

八、使用 RFM9X 无线电

（一）Arduino 库

建议使用 AirSpayce 的 Radiohead 库进行无线电通信，该库支持多种无线电模块。

（二）RadioHead RFM9x 库示例

1. 下载库

可从 GitHub 手动下载 RadioHead 库，或点击按钮下载为 zip 文件。解压后将 RadioHead 文件夹放置在 arduinosketchfolder/libraries/ 文件夹中，重启 Arduino IDE。

2. 基本 RX & TX 示例

• 发送器示例代码：打开 RadioHead -> feather -> Feather9x_TX 示例代码，根据使用的芯片组和布线情况，注释或取消注释相应的引脚定义。设置 RF95_FREQ 以匹配无线电硬件的频率，上传代码后，发送器将每秒发送一个小数据包。
• 接收器示例代码：打开 RadioHead -> feather -> Feather9x_RX 示例代码，确保 RF95_FREQ 值与发送器匹配，同样根据芯片组和布线情况调整引脚定义。上传代码后，接收器将接收并确认小数据包，并发送回复。

（三）引脚布局

不同类型的 Feather 板（如 Feather 32u4、Feather M0、RP2040 Feathers 等）的 RFM9X 引脚布局不同，需根据实际情况进行设置。

（四）频率设置

可通过设置 RF95_FREQ 来调整无线电通信的频率，不同国家/ITU 区域有不同的 ISM 频段，需确保使用合法的频率。

（五）设置与初始化

在 setup() 函数中，设置串口控制台并对无线电进行硬复位，然后调用 init() 函数初始化库，并设置频率和输出功率。

（六）传输与接收代码

• 传输代码：在 loop() 函数中，等待 1 秒后发送数据包，调用 send() 函数发送数据，并使用 waitPacketSent() 等待传输完成。
• 接收代码：在 loop() 函数中，使用 available() 函数检查是否有数据包到达，若有则使用 recv() 函数接收数据，并打印接收到的信息和 RSSI 值，然后发送回复。

九、CircuitPython for RFM9x LoRa

（一）设计考虑

使用 CircuitPython 和 Adafruit CircuitPython RFM9x 模块时，需注意以下设计限制：

• 每次只能发送和接收最多 252 字节的数据包。
• 纯 Python 代码接收数据包是“尽力而为”的，无中断支持，需及时处理接收到的数据包。
• 发送和接收数据包会阻塞 Python 代码，设计应用时应将无线电使用作为主要场景，减少后台任务。
• 模块默认配置与 RadioHead RFM95 Arduino 库兼容，若需不同调制或设置，需自行配置。
• 模块不支持加密和同步字，若需要需在应用代码中自行实现。

（二）布线

将 RFM9x 扩展板连接到电路板时，注意 G0/中断线无需连接。以 Feather M0 为例，连接方式如下：

• 电路板 3V 连接到无线电 VIN
• 电路板 GND 连接到无线电 GND
• 电路板 SCK 连接到无线电 SCK
• 电路板 MOSI 连接到无线电 MOSI
• 电路板 MISO 连接到无线电 MISO
• 电路板 D5 连接到无线电 CS（或其他数字 I/O 引脚）
• 电路板 D6 连接到无线电 RST（或其他数字 I/O 引脚）

（三）模块安装

若使用 Feather M0 RFM9x 并安装了 CircuitPython 6.0 或更高版本，无需安装库模块。若使用较旧版本，需从 Adafruit 的 CircuitPython 库捆绑包中安装 adafruit_rfm9x.mpy 和 adafruit_bus_device 库。

（四）使用方法

在 CircuitPython 的 REPL 中，可按以下步骤初始化并使用无线电：

import board
import busio
import digitalio

# 初始化 SPI 连接