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 receivingbool 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 addressesif(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 dataradio.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!
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