[STM32F4xx 学习] SPI与nRF24L01+的应用

前面已经总结过STM32Fxx的特点和传输过程,下面以nRF24L01+ 2.4GHz无线收发器为例,来说明如何使用SPI。

 

一、nRF24L01+ 2.4GHz无线收发器的介绍

1. 主要特性

  • 全球2.4GHz ISM频段操作
  • 250Kbps, 1Mbps, 2Mbps三种空中传输速率
  • 超低功耗
  • 输出功率为 0dBm时发射功耗为11.3mA
  • 空中传输速率为2Mbps时接收功耗为13.5mA
  • Power down模式功耗低至900nA, Standby-I模式功耗低至26uA
  • 1.9~3.6V的电压工作范围
  • 支持6个接收通道(地址)
  • IO口能承受5V电压
  • ±60ppm 16MHz晶体振荡器
  • 4×4mm QFN封装

2. SPI操作时序

2.1 读操作时序图

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图1. nRF24L01+ 读操作时序

①:发送指令+寄存器地址,都是从CSN(片选线,下同)的下降沿开始

②:主机(即STM32F4xx,下同)发送8位指令代码(C7~C0,下同)

③:不管主机发送何指令,从机(即nRF24L01+,下同)第一字节都会返回状态寄存器的值(寄存器0x07)

④:从机数据在每一个SCK的上升沿输出,首先输出的是第一字节(最低字节)的最高位,...,最后输出的是最高字节的最低位

⑤:读取操作都是以CSN的上升沿结束

2.2 写操作时序

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图2. nRF24L01+ 写操作时序

①:同读操作

②:同读操作

③:同读操作

④:主机数据在每一个SCK的上升沿写入从机,首先写入的是第1个字节的最高位,...,最后写入的是最后一个字节的最低位

⑤:同读操作

 

2.3 状态机

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图3. nRF24L01+ 状态图

  • Power Down 模式

在该模式下,nRF24L01+的功耗最小,不能进行发送或者接收。但是所有寄存器的值保持不变,SPI处于有效状态,允许对寄存器,TX/RX FIFO进行操作,PWR_UP(此位在CONFIG寄存器中)清0即进入该状态。

  • Standby-I 模式

将PWR_UP置1,即进入Standby-I模式,该模式既降低了nRF24L01+的平均功耗,同时又保持尽可能短的启动时间,将CE置1然后后清0,就可以进入TX/RX模式,然后又返回到Standby-I模式。

  • Standby-II 模式

当nRF24L01+设置为接收机(PTX),并且CE=1,TX FIFO为空时即进入该模式。相比Standby-I模式,这种模式相对耗电,一旦发送FIFO有新数据,就会立即将数据打包发送出去。

  • TX 模式

进入该模式需要满足以下条件:

  • PWR_UP=1
  • PRIM_RX=0
  • TX FIFO不为空
  • CE=1脉冲宽度超过10us
  • RX 模式

 进入该模式需要满足以下条件

  • PWR_UP=1
  • PRIM_RX=1
  • CE=1

 

二、程序实现

根据上面nRF24L01+的时序,结合前面介绍的STM32F4xx SPI的操作小结,SPI设置成全双工收发模式,NSS(片选引脚)单独用一个IO口来控制,对nRF24L01+读写操作程序如下:

1. SPI发送/接收子函数

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 1 /* SPI 发送*/
 2 void _SPIDataSet(SPI_TypeDef * SPIx, unsigned char *Buf, unsigned char Cnt)
 3 {    
 4     for(; Cnt; Cnt--)
 5     {
 6         while((SPIx -> SR & SPI_SR_TXE) != SPI_SR_TXE);
 7         SPIx -> DR = *Buf++; 
 8     }
 9     while(SPIx -> SR & SPI_SR_BSY);
10     Cnt = SPIx -> DR;
11 }
12 
13 /* SPI 接收*/
14 void _SPIDataGet(SPI_TypeDef * SPIx, unsigned char *Buf, unsigned char Cnt)
15 {
16     for(; Cnt; Cnt--)
17     {
18         while((SPIx -> SR & SPI_SR_TXE) != SPI_SR_TXE);
19         SPIx -> DR = 0xFF;
20         while((SPIx -> SR & SPI_SR_RXNE) != SPI_SR_RXNE);
21         *Buf++ = SPIx -> DR;
22     }
23    24 }
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L6:写入数据前必须保证TX缓存器为空

L9:确保最后一位数据发送完毕

L10:使RXNE位清0(对DR进行读操作,将使RXNE清0),若RXNE若置1,SPI不会接受新数据。

L19:由于SPI工作与全双工模式,即发送1位数据才会接收1位数据,此语句本质是让SPI输出SCK,使nRF24L01+输出数据

L20: 确保接收到完整的数据

 

2. 对nRF24L01+寄存器的读/写操作

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 1 /* 写nRF24L01+ 寄存器 */
 2 void DataSet(unsigned char CMD,      /* 寄存器地址    */ 
 3              unsigned char *Val,     /* 发送数据指针  */
 4              unsigned char Cnt       /* 数据数量     */)
 5 {    
 6     nRF24L01_CSN  = 0;
 7     _SPIDataSet(SPI1, &CMD, 1);
 8     _SPIDataSet(SPI1, Val, Cnt);
 9     nRF24L01_CSN  = 1;
10 }
11 
12 
13 /* 读nRF24L01+ 寄存器 */
14 void DataGet(unsigned char CMD,      /* 寄存器地址    */
15              unsigned char *Buf,     /* 接收数据指针  */
16              unsigned char Cnt       /* 数据大小     */) 
17 {
18     nRF24L01_CSN  = 0;
19     _SPIDataSet(SPI1, &CMD, 1);
20     _SPIDataGet(SPI1, Buf, Cnt);
21     nRF24L01_CSN = 1;
22 }
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L6, L18: CSN的下降沿开始读/写操作

L9, L21: CSN的上升沿结束读/写操作

 

下图所示为通过逻辑分析仪抓取的设置nRF24L01+ pipe0接收地址(寄存器0xA)的波形:

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图4. 设置Pipe0(寄存器0xA)接收地址波形

 

下图所示为通过逻辑分析仪抓取的读取nRF24L01+ pipe0接收地址(寄存器0xA)的波形:

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图5. 读取Pipe0(寄存器0xA)接收地址波形

 

More~

1. 假如使用 Auto Acknowledgment 功能,发送端(PTX)Pipe0接收地址必须和发送地址     相同,这是用于接收接收端(PRX)的相应

2. 接收数据数量(最大32字节)必须写入RX_PW_Px寄存器(x为通道编号)

3. 调试失败,排查以下几点:

  • 硬件连接是否正确
  • 寄存器读写操作是否正确
  • 确保Standby-I/II 模式变换到TX 模式时,CE高电平时间足够(大于130us)
  • 发送端(PTX)和接收端(PRX)数据的大小要一致,比如接收端(PRX)接收数据大小设置为8字节,那么主机就要给发送端(PTX)的TX FIFO传输8个字节

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