這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。

在上一個(gè)教程中，我們介紹了ESP8266-01（ESP8266 設(shè)置教程）。這是一款小巧的WiFi模塊，能夠讓用戶輕松地為他們的項(xiàng)目添加WiFi功能。今天，我們將討論nRF24L01+ RF 模塊。該模塊是ESP8266 ESP-01的姊妹模塊，旨在讓用戶在項(xiàng)目中集成無(wú)線射頻通信功能。nRF24L01+和ESP8266 ESP-01具有相似的外形尺寸和引腳布局（乍一看甚至完全相同）。但是兩者的控制方式和功能完全不同。在本教程中，我們將介紹使用該RF模塊所需的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)還會(huì)介紹該模塊如何與其他RF模塊和微控制器通信。就本教材而言，我們將演示該模塊如何與Arduino Uno微控制器相連。

nRF24L01+基于Nordic Semiconductor nRF24L01+，是一種“用于2.4GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻段的RF收發(fā)器IC”。

規(guī)格參數(shù):

2.4GHz ISM 頻段運(yùn)行

Vcc標(biāo)稱電壓為3.3V（耐壓輸入5V）

片上穩(wěn)壓

無(wú)線傳輸速率為250kbps、1Mbps、2Mbps

超低運(yùn)行功耗

低電流消耗(900nAsISM頻段

6個(gè)數(shù)據(jù)通道

首先，我們來(lái)介紹以下該模塊的硬件部分。與ESP-01類似，該RF模塊配有4×2公頭接口。然而，模塊的實(shí)際引腳布局與ESP-01模塊不同，這是因?yàn)樵揜F模塊利用不同的通信協(xié)議——利用不同的與其他設(shè)備通信。如果您想了解有關(guān)SPI協(xié)議的更多信息，請(qǐng)查看我們的Arduino Arduino通信協(xié)議教程!

RF模塊的引腳布局如下圖所示。此信息來(lái)源于Addicore。

圖1.nRF24L01+ RF模塊的引腳說(shuō)明/ ?Addicore

根據(jù)設(shè)置，該RF模塊屬于SPI從器件，這意味著它只能與具有專用SPI通信線路的器件一起工作。因此，圖中顯示的SPI MOSI、MISO和SCK（時(shí)鐘）引腳必須連接到微控制器上的相應(yīng)引腳。在Arduino上，這些引腳的定義如下：

MOSI: Arduino D11

MISO: Arduino D12

SCK: Arduino D13

CE和CSN引腳可以連到Arduino上的任何輸出GPIO引腳。在軟件中，SPI通信初始化時(shí)系統(tǒng)會(huì)指定這些引腳。

RF模塊與Arduino之間的連接示例如下：

圖2.CE和CSN引腳（圖中的黃色和綠色線）可以連至任意兩個(gè)未使用的數(shù)字引腳。在軟件中，您應(yīng)該在構(gòu)造RF模塊對(duì)象時(shí)指定這些引腳。

為了連接Arduino與該模塊，我們將使用TMRh20的RF24庫(kù)。該庫(kù)能夠方便地將RF模塊和MCU之間的低級(jí)通信打包成一個(gè)易于使用的C++類。

開始使用該模塊之前，我們將首先介紹一些背景基礎(chǔ)知識(shí)。在美國(guó)，射頻設(shè)備能夠使用的頻率僅限于FCC分配的頻率范圍。ISM頻段是為科學(xué)和醫(yī)療儀器保留的一個(gè)頻率范圍，我們的RF模塊將使用該ISM范圍內(nèi)的頻率進(jìn)行通信。使用RF模塊時(shí)，我們無(wú)需了解這些頻率的細(xì)節(jié)或者通信是如何在這些頻率上發(fā)生的。我們將專注于可以控制的無(wú)線RF通信內(nèi)容。

如果滾動(dòng)瀏覽RF24庫(kù)文件，您會(huì)注意到里面有許多參數(shù)可以設(shè)置。關(guān)鍵參數(shù)如下所示：

信道：通信發(fā)生的特定頻率信道（頻率映射為0到125之間的整數(shù))

讀取通道：讀取通道是指一個(gè)唯一的24位、32位或40位地址，模塊從該地址讀取數(shù)據(jù)

寫入通道：寫入通道是模塊寫入數(shù)據(jù)的唯一地址

功放(PA)級(jí)別：PA級(jí)別負(fù)責(zé)設(shè)定芯片的功耗，從而設(shè)定傳輸功率。就本教程而言（與Arduino一起使用），我們將使用最小功率設(shè)置。

RF24庫(kù)文檔頁(yè)面提供了一些入門的優(yōu)秀示例代碼。示例項(xiàng)目的地址如下：https://tmrh20.github.io/RF24/examples.html

接下來(lái)，我們?cè)凇癎etting Started”Arduino代碼中查看一下上文列出的參數(shù)是如何初始化的?！癎etting Started”（入門）代碼的地址如下：

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，我們需要注意文件頂部的兩個(gè)C++ #include指令：一個(gè)用于包含Arduino SPI庫(kù)（前文提到RF模塊使用SPI與Arduino通信），另一個(gè)用于包含RF24庫(kù)。

#include
#include “RF24.h”

接下來(lái)，我們需要注意構(gòu)造RF24對(duì)象的這行代碼：RF24 radio(7,8); 傳遞給構(gòu)造函數(shù)的兩個(gè)參數(shù)是連至模塊的CE和CSN數(shù)字引腳。MOSI、MISO和SCK引腳必須分別是數(shù)字引腳11、12和13，可是CE和CSN引腳可以連接任意兩個(gè)數(shù)字引腳！

接下來(lái)，我們來(lái)看一下讀寫通道地址。您可能猜到了，寫入和讀取通道地址在兩個(gè)彼此通信的無(wú)線設(shè)備之間是互換的，因?yàn)橐粋€(gè)無(wú)線設(shè)備的寫入通道是另一個(gè)的讀取通道。無(wú)線通訊地址的大小為24位、32位或40位。在示例代碼中，這些地址是從C++字符串文字轉(zhuǎn)換而來(lái)，但您也可以以二進(jìn)制或十六進(jìn)制格式指定它們。比如，指定為十六進(jìn)制的40位地址可以是0xF0F0F0F0F0。存儲(chǔ)寫入和讀取通道地址時(shí)，一個(gè)良好的編程實(shí)踐是將兩個(gè)值放在一個(gè)數(shù)組中。在示例代碼中，寫入和讀取通道的地址存儲(chǔ)在名為“地址”的字節(jié)數(shù)組中。

在void setup()方法中，我們需要說(shuō)明如何使用地址通道參數(shù)和其他參數(shù)初始化無(wú)線設(shè)備。

首先，系統(tǒng)調(diào)用RF24::begin()方法。針對(duì)radio對(duì)象調(diào)用其它RF24庫(kù)之方法之前，必須先調(diào)用begin() ，這是因?yàn)樵摲椒ㄘ?fù)責(zé)初始化RF芯片的運(yùn)行。

接下來(lái)，系統(tǒng)調(diào)用RF24::setPALevel() 方法，以設(shè)定功放(PA)級(jí)別。為了指定功放級(jí)別，RF24庫(kù)提供了不同的常數(shù)值。更高的PA級(jí)別意味著模塊可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的通信，但是在運(yùn)行期間會(huì)消耗更多的電流。作為入門程序，我們將RF_24_LOW常數(shù)作為一個(gè)參數(shù)傳遞給setPALevel()方法，因?yàn)閮蓚€(gè)通信模塊之間的距離不會(huì)很大。一般來(lái)講，該RF模塊與Arduino板配合使用時(shí)，我們應(yīng)該保持PA級(jí)別盡可能地低，從而減少Arduino穩(wěn)壓電源的電流消耗。

接下來(lái)，我們將討論如何初始化寫入和讀取通道。我們已經(jīng)將寫入和讀取通道定義為一些字節(jié)值。現(xiàn)在，我們必須將這些定義傳遞給radio對(duì)象，這樣它才會(huì)知道寫入和讀取通道地址。系統(tǒng)用openWritingPipe() 方法設(shè)定寫入通道；用openReadingPipe()方法設(shè)定讀取通道。打開寫入和讀取通道的示例如下：

radio.openWritingPipe(addresses[1]);

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

請(qǐng)注意，我們還必須為openReadingPipe()方法傳遞一個(gè)額外的整數(shù)參數(shù)，指明初始化哪個(gè)讀取通道。這是因?yàn)镽F模塊在給定時(shí)間最多可以打開6個(gè)讀取通道！

示例代碼通過(guò)一個(gè)role布爾值來(lái)適當(dāng)分配讀取和寫入通道值。根據(jù)role的值，程序確定RF模塊是ping設(shè)備還是pong設(shè)備。您的其他項(xiàng)目也可以使用類似代碼。但是，要確保兩個(gè)設(shè)備的讀寫地址互換，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或讀取！

調(diào)用RF24::startListening()方法之后，無(wú)線模塊開始偵聽。需要注意的是，指示RF模塊開始監(jiān)聽數(shù)據(jù)之前必須初始化讀取通道（即調(diào)用startListening()方法之前必須先調(diào)用openReadingPipe()方法?。?/p>

類似地，RF24類還提供了一個(gè)stopListening()方法，無(wú)線模塊開始寫入之前必須首先調(diào)用該方法。

在示例代碼中，您可能會(huì)注意到程序利用RF24::available()方法告知無(wú)線電模塊檢查傳入的數(shù)據(jù)。這與我們之前見(jiàn)過(guò)的Serial::available()和SoftwareSerial::available() 方法類似——如果RF連接上的數(shù)據(jù)可用，那么available()方法返回真，然后就可以讀取數(shù)據(jù)了。

最后，RF24類提供了實(shí)際數(shù)據(jù)寫入和讀取的方法。RF24::write()與RF24::read()方法的參數(shù)包括（1）指向與傳輸數(shù)據(jù)類型相同的變量的指針，以及（2）傳輸數(shù)據(jù)的大小。在read()方法中，指針指向的變量負(fù)責(zé)接收正在讀取的數(shù)據(jù)。在write()方法中，指針指向的變量負(fù)責(zé)保存正在寫入的數(shù)據(jù)。在這兩種方法中，我們必須確保指針指向與傳輸數(shù)據(jù)類型相同的變量，并且傳遞給方法的大小實(shí)際上反映了數(shù)據(jù)的大小。將不正確的類型或大小值傳遞給read()和write()方法可能會(huì)產(chǎn)生不希望的值截?cái)?，從而?dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無(wú)用。在“Getting Started”代碼中，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一個(gè)unsigned long類型。因此，傳遞給read()和write()方法的指針參數(shù)也應(yīng)該指向一個(gè)unsigned long型的變量。很明顯，傳輸數(shù)據(jù)的大小始終是unsigned long類型變量的大小。在這種情況下，大小并不需要用一個(gè)整數(shù)進(jìn)行傳遞，大小（size）參數(shù)可以簡(jiǎn)單地寫為sizeof(unsigned long)。

“Getting Started”（入門）代碼中唯一沒(méi)有涉及的參數(shù)是信道（communication channel）。如果需要指定具體信道（比如您有多個(gè)RF網(wǎng)絡(luò)，不希望彼此干擾），那么可以將一個(gè)8位的整數(shù)參數(shù)傳遞給RF24::setChannel() 方法，以設(shè)置信道。其代碼示例如下：radio.setChannel(10);

請(qǐng)將兩個(gè)RF模塊連到兩個(gè)獨(dú)立的Arduino板上，并且都上傳“Getting Started”（入門）代碼（您必須將其中一塊板的role布爾值改為1）。您現(xiàn)在應(yīng)該能夠根據(jù)相應(yīng)的ping時(shí)間發(fā)送消息并且接收返回的消息了！下圖是“ping”和“pong”兩個(gè)串口監(jiān)視器的并排截圖：

圖3.左：“ping”監(jiān)視器語(yǔ)句（設(shè)備1）；右：“pong”監(jiān)視器語(yǔ)句（設(shè)備0）

恭喜您完成nRF24L01+教程的學(xué)習(xí)！您現(xiàn)在已經(jīng)掌握了使用這些漂亮RF模塊研發(fā)相關(guān)項(xiàng)目的技能和知識(shí)了！要了解涉及這些RF模塊的項(xiàng)目，您可以瀏覽Device Plus博客！

審核編輯：湯梓紅