NRF24L01入门

硬件概述

无线电频率

nRF24L01+模块设计用于在全球ISM频段2.4 GHz下运行，并使用GFSK调制进行数据传输。数据传输速率是可配置的，可以是250kbps、1Mbps和2Mbps。

电源

该模块的工作电压范围为1.9至3.6V，但好消息是逻辑引脚可承受 5V 电压，因此您可以放心地将其与您最喜欢的 3.3V 或 5V 微控制器一起使用。

该模块支持可编程输出功率，即 0 dBm、-6 dBm、-12 dBm 或 -18 dBm。在 0 dBm 时，模块在传输期间仅消耗 12 mA，低于单个LED灯的消耗。另外它在待机模式下消耗 26 µA，在断电模式下消耗 900 nA。这就是为什么它是低功耗应用的首选无线设备。

SPI接口

nRF24L01+ 通过 4 针 SPI（串行外设接口）进行通信，最大数据速率为 10Mbps。频率通道（125 个可选通道）、输出功率（0 dBm、-6 dBm、-12 dBm 或 -18 dBm）和数据速率（250kbps、1Mbps 或 2Mbps）等所有参数都可以通过 SPI 接口进行配置。

SPI 总线使用主从的概念。在我们的大多数项目中，Arduino 是主机，nRF24L01+ 模块是从机。

与 I2C 总线不同，SPI 总线的从机数量有限。这就是为什么您可以在一个Arduino 上使用最多两个 SPI 从设备，即两个 nRF24L01+ 模块。

技术规格

以下是完整的规格：

●    频率范围：2.4 GHz ISM 频段

●    最大空中数据速率：2 Mb/s

●    调制格式：GFSK

●    最大输出功率： 0 dBm

●    工作电源电压：1.9 V 至 3.6 V

●    最大工作电流：13.5mA

●    电流（待机模式）：26µA

●    逻辑输入：5V 容限

●    通信范围： 800+ m

nRF24L01+ 模块与nRF24L01+ PA/LNA模块

市场上有多种基于 nRF24L01+ 芯片的模块。以下是两个最受欢迎的版本。

第一个版本使用板载天线，允许更紧凑的分支版本。然而，更小的天线也意味着更短的传输范围。

使用此版本，您将能够在100米的距离内进行通信。当然，那是在户外的空旷地方。它的范围在房子内变得有点弱。

第二个版本带有一个 SMA 连接器和一个鸭形天线，但这不是唯一的区别。它带有一个特殊的RFX2401C范围扩展芯片，集成了PA、LNA和收发切换电路。该芯片帮助模块实现更大的传输范围，可达 1000 米。

除了这个区别，两个模块都是兼容的。这意味着，如果您使用其中一个构建项目，您可以简单地拔下它并使用另一个，而无需对系统进行任何更改。

什么是PA和LNA？

PA代表功率放大器。它只会放大从 nRF24L01+ 芯片传输的信号强度。而LNA代表低噪声放大器，其功能是从天线获取极弱的信号（通常低于微伏或 -100 dBm）并将其放大到更有用的电平（通常约为 0.5 至 1 V）。

接收路径的低噪声放大器 (LNA) 和发射路径的功率放大器 (PA) 通过双工器连接到天线，将两个信号隔离，防止相对强大的 PA 输出使敏感的 LNA 输入过载。

nRF24L01+ 模块如何工作？

nRF24L01+ 模块在称为信道的特定频率上发送和接收数据。要让两个或多个模块相互通信，它们必须在同一信道上。该信道可以是 2.4 GHz ISM 频段中的任何频率，或者更准确地说，它可以在 2.400 到 2.525 GHz（2400 到 2525 MHz）之间。

每个信道占用不到 1MHz 的带宽。这为我们提供了 125 个可能的信道，间隔为 1MHz。

这意味着 nRF24L01+ 可以使用 125 个不同的信道，允许您在一个地方创建一个由 125 个独立工作的调制解调器组成的网络。

该信道在250kbps和1Mbps空中数据速率下占用小于 1MHz 的带宽。然而，在 2 Mbps 的空中数据速率下，需要 2MHz 的带宽（大于 RF 通道频率设置的分辨率）。因此，在 2 Mbps 模式下，您应该在两个信道之间保持 2MHz 的间隙，以确保信道不重叠并减少串扰。

您选择的信道的频率根据以下公式确定：

频率（选定）= 2400 + CH（选定）

例如，如果您选择 108 作为您的数据传输通道，则您的通道的 RF 通道频率将为 2508 MHz (2400 + 108)。

nRF24L01+ 多接收器网络

nRF24L01+ 具有称为 Multiceiver 的功能。它是Multiple Transmitter Single Receiver的缩写。

 

在多接收机网络中，每个RF通道在逻辑上分为6个并行数据通道，称为数据管道。换言之，数据管道是单个物理射频通道中的六个逻辑通道之一。每个数据管道都有自己唯一的地址，称为数据管道地址。一次只能有一个数据管道接收一个数据包。

 

多接收机网络可以描述如下。

要了解多服务器网络，请想象主接收器充当集线器接收器，同时从 6 个不同的发送器节点收集信息。集线器接收器可以随时停止收听并充当发送器。

增强型 ShockBurst 协议

nRF24L01+ 使用称为增强型 ShockBurst 的数据包结构。这个简单的数据包结构分为 5 个不同的字段，如下所示。

 

 

最初的Shockburst 结构只包括Preamble、Address、Payload 和Cyclic Redundancy Check (CRC) 字段。增强型 Shockburst 使用新引入的数据包控制字段 (PCF) 为更高级的通信带来了更多功能。

 

这种新结构之所以很棒，有几个原因。

●    首先，它允许带有有效载荷长度说明符的可变长度有效载荷，这意味着有效载荷可以在 1 到 32 字节之间变化。

●    其次，它为每个发送的数据包分配一个数据包 ID，这允许接收设备确定消息是新消息还是已重传。

●    最后，也是最重要的一点，每条消息都可以请求接收者在收到消息后发送确认。

 

nRF24L01+ 自动数据包处理

让我们讨论三个场景，以更好地了解两个nRF24L01+模块如何相互交互。

 

●    带有确认的事务

这是一个主动情景的例子。在这里，发送器通过向接收器发送数据包来启动通信。一旦数据包被发送，它会等待大约 130 µs 以接收确认数据包（ACK 数据包）。当接收器接收到数据包时，它会向发送器发送 ACK 数据包。当发送方收到 ACK 数据包时，事务结束。

 

 

●    丢失数据包的事务

这是由于传输的数据包丢失而需要重新传输的被动示例。数据包发送完毕后，发送方等待接收 ACK 数据包。

 

如果发送器在自动重传延迟 (ARD) 时间内没有收到它，它会重传数据包。当接收方接收到重传的数据包时，它会发送 ACK 数据包，从而终止事务。

 

●    确认丢失的事务

这又是一个负面情况，其中由于ACK数据包丢失而需要重新传输。这里即使接收者自己在第一次尝试中已经收到了数据包，但由于ACK数据包丢失，发送者认为接收者没有收到数据包。

因此，在 Auto-Retransmit-Delay 超时后，发送器重新传输数据包。现在，当接收方收到与之前相同ID的数据包时，它会丢弃它并再次发送ACK数据包。当发送方收到ACK数据包时，事务结束。

 

 

整个数据包处理由 nRF24L01+ 芯片自动完成，无需微控制器参与。

 

怎么控制（读写）NRF24L01?

NRF24L01是通过SPI接口与其通信，通过SPI访问（读/写）内部寄存器达到控制NRF24L01的效果。
NRF24L01的SPI接口最大传输速率10Mbps
如果想通过SPI读写NRF24L01内部寄存器，那需要符合NRF24L01的指令格式，NRF24L01才能识别发送的指令，指令格式如下：

例如：配置通信信道为40
通信信道寄存器为0x05，所以向NRF24L01的0x05地址写入40，则先发送0x25到NRF24L01，再发送40到NRF24L01即可（0x25 是由 0x20|0x05得到）

注意：写指令前先拉低CSN，写一条指令后拉高CSN。每写一次指令都必须经历”拉低CSN”、”写入指令”、“拉高CSN”三个步骤。

总体了解NRF24L01工作模式

NRF24L01是分不同的模式的，比如发送模式、接收模式、待机模式II、待机模式I、掉电模式，特定的模式做特定的事情，且不同模式下功耗也不同。怎么配置NRF24L01的模式呢？通过寄存器和外部引脚配合使其在不同模式下转换，如下图：

掉电模式：在掉电模式下，NRF24L01各功能关闭。功耗最小。

各个模式状态转换图：

怎样实现一个NRF24L01发送，另一个就能收到呢？

可以这样理解，有两个NRF24L01模块A和B，模块A发送，模块B来接收：

1. 首先，模块A和模块B需要在同一信道（频道）
2. 也需要配置模块A发送数据长度和模块B接收数据长度相等
3. 然后给模块B配置一个接收地址ADDR_B
4. 再配置模块A的发送地址（发给谁，就配成谁的接收地址）也为ADDR_B，这样模块A发送数据，模块B就能收到。

实际上模块B配置的接收地址ADDR_B只是它其中的一个接收数据通道的地址，一个模块有6个接收通道，模块B可以同时接收6个模块发来的数据（当然，应该不能同时发送，因为在同一信道（频道）同时发送会有干扰）。
以上就是两个模块通信的简单介绍，这里还可以继续深入了解，NRF24L01在收发数据时，硬件会将要发送的数据按照一定的格式封装成数据包，包括包头、包内容、校验等，这个格式可以不用具体关注，因为只要两个通信的NRF24L01配置相同即可，比如都开启CRC校验。

数据手册中也常提到ShockBurstTM模式和增强型ShockBurstTM模式，要知道这两种模式是说的数据包的处理方式。ShockBurstTM模式可以与Nrf2401/nRF24E1等通信兼容。

两种模式的主要区别如下（不是全部区别）：

	ShockBurstTM	增强型ShockBurstTM
接收数据中断	√	√
CRC校验	√	√
自动应答	×	√
自动重发	×	√
可以看到增强型ShockBurstTM可以接收成功时自动应答和发送失败时自动重发，这样会极大的减少MCU工作量。

   

自动应答和自动重发需要注意什么呢？

上面说的，一个模块有6个接收数据通道，分别为通道0、通道1……通道5，当开启自动应答和自动重发时，举例：还是模块A发送数据，模块B接收（他们都开启了自动应答和自动重发功能）

1. 配置模块B的接收地址为ADDR_B
2. 配置模块A的发送地址也为ADDR_B
3. 假设模块A发送数据，模块B接收到了，这时模块B会回复A一个ACK，A就知道发送成功了（若发送完成中断开启，这时会触发中断）。
4. 假设模块A发送数据，模块B没有收到，这时模块A收不到ACK并等待超时，就是重新发送数据，直到超过配置的重发次数。达到最多重发次数后，如果“达到最大重发次数”中断开启了，就会触发中断。（至于怎么开启自动重发、配置哪个寄存器等，在数据手册上可以查到）

注意：A是发送模块，应该处于上面讲的工作模式中的发送模式。所以这里有个细节就是当A开启自动应答和自动重传功能时，发送数据完成后会自动切换到接收模式等待接收端回复的ACK。

模块B回复ACK给模块A，那模块A的哪个接收数据通道接收呢？是数据通道0，所以要想数据通道0接收到ACK，模块A必须在发送数据前，就配置好接收数据通道0的地址，用来接收ACK，那这个地址配置成多少呢？这里NRF24L01就规定，接收端接收到数据后，会以“发送端发送地址”回复ACK，而发送端的发送地址就是接收端的接收地址ADDR_B，所以这几个地址都配置成ADDR_B就可以了，如下：

模块A	模块B
发送地址：ADDR_B	接收地址（某个通道）：ADDR_B
数据通道0：ADDR_B

为什么讲要注意NRF24L01发送数据时，数据发送完后会“硬件自动”切换为接收模式呢？
是因为，如果NRF24L01想配合RFX2401C芯片使用的话，RFX2401C是需要TXEN和RXEN两个引脚控制其处于 “发送-功率放大器”还是“接收-低噪声放大器”两个模式，如果将TXEN和RXEN两个管脚接到MCU控制就不太好了，因为MCU只知道配置了NRF24L01为发送模式，但是实际NRF24L01自己会自动切换为接收模式来接收ACK！所以MCU没办法正确控制RFX2401C，只能将它的TXEN和RXEN根据其逻辑接到NRF24L01的引脚上，让NRF24L01自动控制RFX2401C。

通过原理图可看到，TXEN没接到MCU而是接到了NRF24L01的VDD_PA引脚，因为VDD_PA引脚在NRF24L01发送数据时会为高电平，接收数据时为低电平（通过示波器观察）。符合上图的RFX2401C的控制逻辑。