nRF24L01+ RF模块教程

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

nRF24L01+

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

nRF24L01+

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:

nRF24L01+

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:http://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:

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

GettingStarted.ino

 

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 <SPI.h>
#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。

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()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()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()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()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:

nRF24L01+

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!