【应用】nRF24L01无线模块在单片机与FPGA上的应用
先简单的介绍下nRF24L01无线模块
(1) 2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用
(2) 最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合
(3) 126 频道，满足多点通信和跳频通信需要
(4) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制
(5) 低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA
(6) 内置2.4Ghz 天线，体积小巧15mm X29mm
(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便
通过SPI方式完成数据的交换，包括数据的发送，数据的接收。说明一下，单片机中如果没有SPI的硬件电路，我们可以使用单片机的普通IO口进行SPI的时序模拟，只要符合无线模块的时序逻辑，一样能控制无线模块的通信。FPGA是可编程逻辑，最大的特点就是灵活，用户可根据需求加入所需要的逻辑器件，当然它所包含的逻辑单元也是相当的丰富，有SPI硬件模块。这样用户就省去了SPI方式的时序逻辑，可以更好的专注于功能的开发。
下面将详细的介绍下nRF24L01无线模块在单片机与FPGA上的应用
单片机：这里我们使用的单片机型号为PIC16F877。
图1.3 NRF24L01接入PIC的原理图
说明：从图1.3中可以看出，主要是图1.1中的6个信号（还有2个是地与电源）接入单片机中。而那些引脚是普通的IO口，需要用户模仿SPI时序进行控制。
无线模块进行数据的交换就是数据的发送与数据的接收，下面将从这2个方面进行介绍。不管是数据的发送还是数据的接收，要想控制好NRF24L01无线模块，先要通过SPI方式对无线模块进行配置，只需要往它对应的寄存器里写入数值便可。
先定义一下PIC上的宏，下面我们就可以很方便的对PIC的引脚进行操作。
View Code
1 #define MISO RC2
2 #define MOSI RC3
3 #define SCK RD0
4 #define CE RD2
5 #define CSN RD1
6 #define IRQ RC1
7 #define LED RD3
8 #define KEY0 RB0
9 #define KEY1 RB1
10 #define KEY2 RB2
11 #define KEY3 RB3
12 #define KEY4 RB4
13 #define KEY5 RB5
14 #define KEY6 RB6
15 #define KEY7 RB7
NRF24L01无线模块的寄存器
View Code
1 //*******************NRF24L01寄存器指令
2 #define READ_REG 0x00 // 读寄存器指令
3 #define WRITE_REG 0x20 // 写寄存器指令
4 #define RD_RX_PLOAD 0x61 // 读取接收数据指令
5 #define WR_TX_PLOAD 0xA0 // 写待发数据指令
6 //*******************SPI(nRF24L01)寄存器地址
7 #define CONFIG 0x00 // 配置收发状态，
8 #define EN_AA 0x01 // 自动应答功能设置
9 #define EN_RXADDR 0x02 // 可用信道设置
10 #define SETUP_AW 0x03 // 收发地址宽度设置
11 #define SETUP_RETR 0x04 // 自动重发功能设置
12 #define RF_CH 0x05 // 工作频率设置
13 #define RF_SETUP 0x06 // 发射速率、功耗功能设置
14 #define STATUS 0x07 // 状态寄存器
15 #define RX_ADDR_P0 0x0A // 频道0接收数据地址
16 #define TX_ADDR 0x10 // 发送地址寄存器
17 #define RX_PW_P0 0x11 // 接收频道0接收数据长度
18 #define FIFO_STATUS 0x17 // FIFO栈入栈出状态寄存器设置
有2类寄存器是用户可以根据自己的需求所确定的，那就是地址的长度以及内容、发送与接收数据的长度，但无线模块一次最多可以发送32个字节，这两类寄存器一般设置为3~4个字节。
View Code
1 #define TX_PLOAD_WIDTH 4
2 #define RX_PLOAD_WIDTH 4
3 unsigned char TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10}; //本地地址
4 unsigned char RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10}; //接收地址
A 模拟SPI方式
View Code
1 /****************************************************************************************************
2 /*函数：uint SPI_RW(uint uchar)
3 /*功能：NRF24L01的SPI时序
4 /****************************************************************************************************/
5 unsigned char SPI_RW(unsigned char a)
6 {
7 unsigned char i;
8 for(i=0;i<8;i++)
9 {
10 if((a&0x80)==0x80)
11 MOSI=1;
12 else MOSI=0; // output 'uchar', MSB to MOSI
13 a=(a<<1); // shift next bit into MSB..
14 SCK=1; // Set SCK high..
15 if(MISO==1)
16 a|=0x01;
17 else a&=0xfe; // capture current MISO bit
18 SCK=0; // ..then set SCK low again
19 }
20 return(a); // return read uchar
21 }
B 以SPI方式对寄存器的操作
View Code
1 /****************************************************************************************************
2 /*函数：uchar SPI_Read(uchar reg)
3 /*功能：NRF24L01的SPI读操作
4 /****************************************************************************************************/
5 unsigned char SPI_Read(unsigned char reg)
6 {
7 unsigned char reg_val;
8 CSN=0; // CSN low, initialize SPI communication...
9 SPI_RW(reg); // Select register to read from..
10 reg_val=SPI_RW(0); // ..then read registervalue
11 CSN=1; // CSN high, terminate SPI communication
12 return(reg_val); // return register value
13 }
14 /****************************************************************************************************/
15 /*功能：NRF24L01读写寄存器函数
16 /****************************************************************************************************/
17 unsigned char SPI_RW_Reg(unsigned char reg, unsigned char value)
18 {
19 unsigned char status;
20 CSN = 0; // CSN low, init SPI transaction
21 status=SPI_RW(reg); // select register
22 SPI_RW(value); // ..and write value to it..
23 CSN = 1; // CSN high again
24 return(status); // return nRF24L01 status uchar
25 }
26 /****************************************************************************************************/
27 /*函数：uint SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)
28 /*功能: 用于读数据，reg：为寄存器地址，pBuf：为待读出数据地址，uchars：读出数据的个数
29 /****************************************************************************************************/
30 unsigned char SPI_Read_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
31 {
32 unsigned char status,uchar_ctr;
33 CSN = 0; // Set CSN low, init SPI tranaction
34 status=SPI_RW(reg); // Select register to write to and read status uchar
35
36 for(uchar_ctr=0;uchar_ctr<uchars;uchar_ctr++)
37 {
38 pBuf[uchar_ctr]=SPI_RW(0);
39 }
40 CSN = 1;
41
42 return(status);
43 }
44 /*********************************************************************************************************
45 /*函数：uint SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar uchars)
46 /*功能: 用于写数据：为寄存器地址，pBuf：为待写入数据地址，uchars：写入数据的个数
47 /*********************************************************************************************************/
48 unsigned char SPI_Write_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
49 {
50 unsigned char status,uchar_ctr;
51
52 CSN = 0; //SPI使能
53 status=SPI_RW(reg);
54 for(uchar_ctr=0; uchar_ctr<uchars; uchar_ctr++)
55 {
56 SPI_RW(*pBuf++);
57 }
58 CSN = 1; //关闭SPI
59 return(status);
60 }
这样就可以对NRF24L01无线模块进行初始化工作，以及数据发送、数据接收。让无线模块是处于接收状态还是处于发送状态，初始化的工作有所不同，但区别不大，主要是CONFIG寄存器，可详细参考它的datesheet。
NRF24L01发送的初始化以及发送时序
View Code
1 void init_NRF24L01_send(void)
2 {
3 delay(30);
4 CE=0; // chip enable
5 CSN=1; // Spi disable
6 SCK=0; // Spi clock line init high
7 delay(30);
8 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 写本地地址
9 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 写接收端地址
10 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); // 频道0自动 ACK应答允许
11 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); // 允许接收地址只有频道0，如果需要多频道可以参考Page21
12 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + SETUP_RETR, 0x1a); // 500us + 86us, 10 retrans...
13 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40); // 设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致
14 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); //设置接收数据长度，本次设置为4字节
15 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); //设置发射速率为1MHZ，发射功率为最大值0dB
16 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e); // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送
17 // CE=1; // chip enable
18 delay(30);
19 }
20
21 /***********************************************************************************************************
22 /*函数：void nRF24L01_TxPacket(unsigned char *tx_buf)
23 /*功能：发送 tx_buf中数据
24 /**********************************************************************************************************/
25 void nRF24L01_TxPacket(unsigned char *tx_buf)
26 {
27 CE=0; //StandBy I模式
28 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 装载接收端地址
29 SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf, TX_PLOAD_WIDTH); // 装载数据
30 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e); // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主发送
31 CE=1; //置高CE，激发数据发送
32 delay(100);
33 CE=0;
34 }
NRF24L01接收的初始化以及接收时序
View Code
1 void init_NRF24L01_receive(void)
2 {
3 delay(30);
4 CE=0; // chip enable
5 CSN=1; // Spi disable
6 SCK=0; // Spi clock line init high
7 delay(30);
8 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); // 写本地地址
9 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, RX_ADDRESS, RX_ADR_WIDTH); // 写接收端地址
10 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); // 频道0自动 ACK应答允许
11 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); // 允许接收地址只有频道0，如果需要多频道可以参考Page21
12 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40); // 设置信道工作为2.4GHZ，收发必须一致
13 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); //设置接收数据长度，本次设置为32字节
14 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); //设置发射速率为1MHZ，发射功率为最大值0dB
15 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0f); // IRQ收发完成中断响应，16位CRC，主接受
16 CE=1;
17 delay(40);
18 }
19
20
21 /******************************************************************************************************/
22 /*函数：unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)
23 /*功能：数据读取后放如rx_buf接收缓冲区中
24 /******************************************************************************************************/
25 unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf)
26 {
27 unsigned char revale=0;
28 sta=SPI_Read(STATUS); // 读取状态寄存其来判断数据接收状况
29 if(RX_DR) // 判断是否接收到数据
30 {
31 CE = 0; //SPI使能
32 SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);// read receive payload from RX_FIFO buffer
33 revale =1; //读取数据完成标志
34 }
35 SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0xff);
36 return revale;
37 }
下面总结一下NRF24L01在FPGA的应用。
由于FPGA自带SPI硬件，只需要在SOPC Bulider中添加SPI模块即可，在顶层图中我们就可以看到图1.4,另外，我们再添加两个IO口，这样我们就不必再模拟SPI方式，在FPGA中，有一个很好的API函数alt_avalon_spi_command();其函数原型为：
1 int alt_avalon_spi_command(alt_u32base,alt_u32slave,
2 alt_u32write_length,
3 constalt_u8*wdata,
4 alt_u32read_length,
5 alt_u8*read_data,
6 alt_u32flags)
该函数执行以下功能：
1、 SPI 从机片选信号有效（拉低） ；
2、 从 wdata 指针读取数据，通过 SPI 接口传输总共 write_length 字节的数据，丢弃 MISO接口输入的数据；
3、 读 read_length 个字节的数据，存储到 read_data 指针指向的地址。读传输过程中 MOSI 被置为 0；
4、 撤销 SPI 从机片选信号（拉高）。
头文件<altera_avalon_spi.h>，该头文件定义了 SPI 核的寄存器映射和访问硬件可用的一些特征常量。
这个函数的最大缺点就是不可以在中断中使用，但这并不影响对它的使用。NRF24L01在单片机和FPGA上的应用的本质是一样的，主要区别就是对上面的A、B SPI方式进行改写。
A 就是用alt_avalon_spi_command();代替，是不是很方便呢。:-D
B 以SPI方式对寄存器的操作
View Code
1 /*********************************************************************
2 ** 函数名称: void SPI_RW_Reg(unsigned char reg, unsigned char value)()
3 ** 函数功能: 访问无线模块寄存器，并也对其写数值控制
4 ** 参数：2个，第一个为寄存器地址，第二个为向寄存器写的数值
5 *********************************************************************/
6 void SPI_RW_Reg ( unsigned char reg, unsigned char value )
7 {
8 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 ); // select register
9 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,&value,0,NULL,0 );
10 }
11
12 /*********************************************************************
13 ** 函数名称: void SPI_Write_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char bytes)
14 ** 函数功能: 访问寄存器，并向其写入bytes字节的数值
15 ** 参数：3个，寄存器地址，数据、长度
16 *********************************************************************/
17 void SPI_Write_Buf ( unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char bytes )
18 {
19 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
20 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,bytes,pBuf,0,NULL,0 );
21 }
22 /********************************************************************
23 ** 函数名称: unsigned char SPI_Read(unsigned char reg)
24 ** 函数功能: 访问寄存器地址，并返回该寄存器的数值
25 ** 参数：寄存器地址
26 *********************************************************************/
27 unsigned char SPI_Read ( unsigned char reg )
28 {
29 unsigned char reg_val;
30 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
31 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,0,NULL,1,®_val,0 );
32 return ( reg_val );
33 }
34 /*
35 *********************************************************************
36 ** 函数名称: void SPI_Read_Buf(unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars)
37 ** 函数功能: 访问寄存器，并从其读出bytes字节的数值
38 ** 参数：3个，寄存器地址，数据、长度
39 *********************************************************************
40 */
41 void SPI_Read_Buf ( unsigned char reg, unsigned char *pBuf, unsigned char uchars )
42 {
43 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,1,®,0,NULL,1 );
44 alt_avalon_spi_command ( SPI_BASE,0,0,NULL,uchars,pBuf,0 );
45 }
跟单片机相比，是不是觉得看得清晰点呢。这就是这个函数的方便之处了。有一点要注意一下，这个函数的最后一个参数的作用，以前没注意，走过一段弯路，它的作用就是相当于上面单片机中的CSN信号，如果需要对SPI从器件进行连续访问，则不释放该信号可以提高访问速度。
好了，差不多就总结到这里了。无线模块的应用很广泛，可以用作无线遥控器、数据的无线烧写等用途。有想法的可以一起讨论。