基于C8051F330程序和时序说明

NRF24L01 使用文档

基于 c8051f330 单片机

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目

录

芯片简介........................................................................................................................3 1 NRF24L01 功能框图 .................................................................................................4

2 NRF24L01 状态机 .....................................................................................................5 3 Tx 与 Rx 的配置过程 ................................................................................................7

3.1 Tx 模式初始化过程 ........................................................................................7 3.2 Rx 模式初始化过程.........................................................................................8

4 控制程序详解.............................................................................................................9

4.1 函数介绍..........................................................................................................9

4.1.1 uchar SPI_RW(uchar byte) .....................................................................9 4.1.2 uchar SPI_RW_Reg (uchar reg, uchar value).......................................10 4.1.3 uchar SPI_Read (uchar reg);.................................................................10 4.1.4 uchar SPI_Read_Buf (uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes);...............11 4.1.5 uchar SPI_Write_Buf (uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes);..............11 4.1.6 void RX_Mode(void)............................................................................12 4.1.7 void TX_Mode(void)............................................................................13 4.2 NRF24L01 相关命令的宏定义 .....................................................................13 4.3 NRF24L01 相关寄存器地址的宏定义 .........................................................14

5 实际通信过程示波器图..........................................................................................16

1）发射节点 CE 与 IRQ 信号.............................................................................17 2）SCK 与 IRQ 信号（发送成功）...................................................................18 3）SCK 与 IRQ 信号（发送不成功）...............................................................19

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芯片简介

无线通信速度可以达到 2M（bps）。NORDIC 公司提供通信模块的 GERBER 文件，可以直

NRF24L01 是 NORDIC 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK 调制，内部

集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。

接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5 个 GPIO，1 个中

断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为 MCU 系统构建无线通信

功能。

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1 NRF24L01 功能框图

Fig.1 NRF24L01 BLOCK DIAGRAM

NRF24L01 的框图如 Fig.1 所示，从单片机控制的角度来看，我们只需要关注 Fig.1 右面

的六个控制和数据信号，分别为 CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。

CSN：芯片的片选线，CSN 为低电平芯片工作。 SCK：芯片控制的时钟线（SPI 时钟）

MISO：芯片控制数据线（Master input slave output） MOSI：芯片控制数据线（Master output slave input）

IRQ：中断信号。无线通信过程中 MCU 主要是通过 IRQ 与 NRF24L01 进行通信。 CE： 芯片的模式控制线。 在 CSN 为低的情况下，CE 协同 NRF24L01 的 CONFIG 寄

存器共同决定 NRF24L01 的状态（参照 NRF24L01 的状态机）。

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2 NRF24L01 状态机

NRF24L01 的状态机见 Fig.2 所示，对于 NRF24L01 的固件编程工作主要是参照

NRF24L01 的状态机。主要有以下几个状态

Power Down Mode：掉电模式 Tx Mode：发射模式 Rx Mode：接收模式

Standby-1Mode：待机 1 模式 Standby-2 Mode：待机 2 模式

上面五种模式之间的相互切换方法以及切换所需要的时间参照 Fig.2。

Fig.2 NRF24L01 State Machine

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对 24L01 的固件编程的基本思路如下：

将 IRQ 接到外部中断输入引脚，通过中断程序进行处理。

Tx Mode：PWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=1 (保持超过 10us 就可以)； Rx Mode: PWR_UP=1; PRIM_RX=1; CE=1; 2） 如果是 Tx 模式，填充 Tx FIFO。

3） 配置完成以后，通过 CE 与 CONFIG 中的 PWR_UP 与 PRIM_RX 参数确定 24L01

要切换到的状态。

1） 置 CSN 为低，使能芯片，配置芯片各个参数。（过程见 3.Tx 与 Rx 的配置过程） 配置参数在 Power Down 状态中完成。

4) IRQ 引脚会在以下三种情况变低：

Tx FIFO 发完并且收到 ACK（使能 ACK 情况下） Rx FIFO 收到数据 达到最大重发次数

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3 Tx 与 Rx 的配置过程

本节只是叙述了采用 ENHANCED SHORT BURST 通信方式的 Tx 与 Rx 的配置及通信

过程，熟悉了 24L01 以后可以采用别的通信方式。

3.1 Tx 模式初始化过程

初始化步骤 1）写 Tx 节点的地址

2）写 Rx 节点的地址（主要是为了使能 Auto Ack） 3）使能 AUTO ACK 4）使能 PIPE 0 5）配置自动重发次数 6）选择通信频率

7）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） 8 ) 选择通道 0 有效数据宽度 9）配置 24L01 的基本参数以及切换工作模式

24L01 相关寄存器

TX_ADDR

RX_ADDR_P0 EN_AA EN_RXADDR SETUP_RETR RF_CH RF_SETUP Rx_Pw_P0 CONFIG

Tx 模式初始化过程

1）写 Tx 节点的地址 TX_ADDR

2）写 Rx 节点的地址（主要是为了使能 Auto Ack） 3）使能 AUTO ACK EN_AA 4）使能 PIPE 0 EN_RXADDR 5）配置自动重发次数 SETUP_RETR

RX_ADDR_P0

6）选择通信频率 RF_CH

7）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） 8 ) 选择通道 0 有效数据宽度 Rx_Pw_P0

9）配置 24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。

RF_SETUP

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3.2 Rx 模式初始化过程

初始化步骤 1）写 Rx 节点的地址 2）使能 AUTO ACK 3）使能 PIPE 0 4）选择通信频率

5) 选择通道 0 有效数据宽度

6）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） 7）配置 24L01 的基本参数以及切换工作模式 Rx 模式初始化过程： 初始化步骤 24L01 相关寄存器 1）写 Rx 节点的地址 RX_ADDR_P0 2）使能 AUTO ACK EN_AA 3）使能 PIPE 0 EN_RXADDR 4）选择通信频率 RF_CH

5) 选择通道 0 有效数据宽度 Rx_Pw_P0 6）配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） 7）配置 24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。

RF_SETUP

24L01 相关寄存器

RX_ADDR_P0

EN_AA EN_RXADDR RF_CH Rx_Pw_P0 RF_SETUP CONFIG

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4 控制程序详解

4.1 函数介绍

NRF24L01 的控制程序主要包括以下几个函数

uchar SPI_RW(uchar byte);

uchar SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value); uchar SPI_Read(uchar reg);

uchar SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes); void RX_Mode(void); void TX_Mode(void);

uchar SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes);

4.1.1 uchar SPI_RW(uchar byte)

uchar SPI_RW(uchar byte)

{

uchar bit_ctr;

// output 8-bit

for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++)

{

MOSI = (byte & 0x80); byte = (byte << 1); SCK = 1; byte |= MISO; SCK = 0;

// output 'byte', MSB to MOSI

// shift next bit into MSB..

// Set SCK high..

// capture current MISO bit // ..then set SCK low again

}

}

return(byte); // return read byte

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最基本的函数，完成 GPIO 模拟 SPI 的功能。将输出字节（MOSI）从 MSB 循环输出，

同时将输入字节（MISO）从 LSB 循环移入。上升沿读入，下降沿输出。（从 SCK 被初始化

为低电平可以判断出）。

4.1.2 uchar SPI_RW_Reg (uchar reg, uchar value)

uchar SPI_RW_Reg(uchar reg, uchar value) {

uchar status;

CSN = 0;

// CSN low, init SPI transaction

status = SPI_RW(reg); SPI_RW(value); CSN = 1;

// select register

// ..and write value to it.. // CSN high again

return(status); // return nRF24L01 status byte

}

寄存器访问函数：用来设置 24L01 的寄存器的值。基本思路就是通过 WRITE_REG 命令（也 就是 0x20+寄存器地址）把要设定的值写到相应的寄存器地址里面去，并读取返回值。对于

函数来说也就是把 value 值写到 reg 寄存器中。

需要注意的是，访问 NRF24L01 之前首先要 enable 芯片（CSN=0；），访问完了以后再 disable

芯片（CSN=1；）。

4.1.3 uchar SPI_Read (uchar reg);

uchar SPI_Read(uchar reg) {

uchar reg_val;

CSN = 0; // CSN low, initialize SPI communication...

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SPI_RW(reg);

// Select register to read from..

reg_val = SPI_RW(0); CSN = 1;

// ..then read registervalue

// CSN high, terminate SPI communication

return(reg_val); // return register value

}

读取寄存器值的函数：基本思路就是通过 READ_REG 命令（也就是 0x00+寄存器地址），把 寄存器中的值读出来。对于函数来说也就是把 reg 寄存器的值读到 reg_val 中去。

4.1.4 uchar SPI_Read_Buf (uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes);

uchar SPI_Read_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes) {

uchar status,byte_ctr;

CSN = 0;

// Set CSN low, init SPI tranaction

status = SPI_RW(reg); // Select register to write to and read status byte

for(byte_ctr=0;byte_ctrpBuf[byte_ctr] = SPI_RW(0); // Perform SPI_RW to read byte from nRF24L01

CSN = 1; // Set CSN high again

return(status); }

// return nRF24L01 status byte

接收缓冲区访问函数：主要用来在接收时读取 FIFO 缓冲区中的值。基本思路就是通过 READ_REG 命令把数据从接收 FIFO（RD_RX_PLOAD）中读出并存到数组里面去。

4.1.5 uchar SPI_Write_Buf (uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes);

uchar SPI_Write_Buf(uchar reg, uchar *pBuf, uchar bytes)

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{

uchar status,byte_ctr; CSN = 0;

status = SPI_RW(reg); Uart_Delay(10);

for(byte_ctr=0; byte_ctr// Set CSN high again // return nRF24L01 status byte

// Set CSN low, init SPI tranaction

// Select register to write to and read status byte

发射缓冲区访问函数：主要用来把数组里的数放到发射 FIFO 缓冲区中。基本思路就是通过 WRITE_REG 命令把数据存到发射 FIFO（WR_TX_PLOAD）中去。

4.1.6 void RX_Mode(void)

设定 24L01 为接收方式，配置过程详见 3.2 Rx 模式初始化过程。

void RX_Mode(void) {

CE=0;

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); // Enable Auto.Ack:Pipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); // Enable Pipe0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40); // Select RF channel 40 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RX_PW_P0, TX_PLOAD_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07);

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0f); // Set PWR_UP bit, enable CRC(2

bytes) & Prim:RX. RX_DR enabled..

CE = 1; // Set CE pin high to enable RX

device

// This device is now ready to receive one packet of 16 bytes payload from a TX device sending to address

// '3443101001', with auto acknowledgment, retransmit count of 10, RF channel 40 and datarate = 2Mbps.

}

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内部使用-严禁用于商业用途 by aaa1982

4.1.7 void TX_Mode(void)

设定 24L01 为发送方式，配置过程详见 3.1 Tx 模式初始化过程。

void TX_Mode(void) {

CE=0;

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);

SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf, TX_PLOAD_WIDTH); // Writes data to TX payload

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA, 0x01); // Enable Auto.Ack:Pipe0 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); // Enable Pipe0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + SETUP_RETR, 0x1a); // 500us + 86us, 10 retrans... SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 40); // Select RF channel 40 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); // TX_PWR:0dBm, Datarate:2Mbps, LNA:HCURR

// Set PWR_UP bit, enable CRC(2 SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0e);

& Prim:TX. MAX_RT & TX_DS enabled.. bytes) CE=1;

}

4.2 NRF24L01 相关命令的宏定义

nRF24L01 的基本思路就是通过固定的时序与命令，控制芯片进行发射与接收。控制命令如 FIG..4.2.1 所示。

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FIG.4.2.1

前面提到的函数也要与这些命令配合使用,比如

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01);

SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH);

相关命令的宏定义如下： #define READ_REG

0x00 // Define read command to register

#define WRITE_REG 0x20 // Define write command to register

#define RD_RX_PLOAD 0x61 // Define RX payload register address #define WR_TX_PLOAD 0xA0 // Define TX payload register address #define FLUSH_TX #define FLUSH_RX

0xE1 // Define flush TX register command 0xE2 // Define flush RX register command

#define REUSE_TX_PL 0xE3 // Define reuse TX payload register command #define NOP register

0xFF // Define No Operation, might be used to read status

4.3 NRF24L01 相关寄存器地址的宏定义

#define CONFIG

0x00 // 'Config' register address

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#define EN_AA

#define EN_RXADDR #define SETUP_AW #define SETUP_RETR #define RF_CH #define RF_SETUP #define STATUS #define OBSERVE_TX #define CD

#define RX_ADDR_P0 #define RX_ADDR_P1 #define RX_ADDR_P2 #define RX_ADDR_P3 #define RX_ADDR_P4 #define RX_ADDR_P5 #define TX_ADDR #define RX_PW_P0 #define RX_PW_P1 #define RX_PW_P2 #define RX_PW_P3 #define RX_PW_P4

#define RX_PW_P5 #define FIFO_STATUS  

0x01 // 'Enable Auto Acknowledgment' register address 0x02 // 'Enabled RX addresses' register address 0x03 // 'Setup address width' register address 0x04 // 'Setup Auto. Retrans' register address

0x05 // 'RF channel' register address 0x06 // 'RF setup' register address

0x07 // 'Status' register address 0x08 // 'Observe TX' register address

0x09 // 'Carrier Detect' register address 0x0A // 'RX address pipe0' register address 0x0B // 'RX address pipe1' register address 0x0C // 'RX address pipe2' register address 0x0D // 'RX address pipe3' register address 0x0E // 'RX address pipe4' register address 0x0F // 'RX address pipe5' register address 0x10 // 'TX address' register address

0x11 // 'RX payload width, pipe0' register address 0x12 // 'RX payload width, pipe1' register address 0x13 // 'RX payload width, pipe2' register address 0x14 // 'RX payload width, pipe3' register address 0x15 // 'RX payload width, pipe4' register address

0x16 // 'RX payload width, pipe5' register address 0x17 // 'FIFO Status Register' register address

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5 实际通信过程示波器图

对于 NRF24L01 的编程主要是通过命令（WRITE_REG，READ_REG 等等），

控制线 CE、CSN）以及中断信号 IRQ 共同完成的。

对于发射节点，如果使能 ACK 与 IRQ 功能，则当通信成功以后（也就是发

射节点收到了接收节点送回的 ACK 信号）IRQ 线会置低。

Enhanced ShockBurst协议认为成功收到了有效数据宽度的数据）IRQ线会置低。

对于接收节点，如果使能ACK与IRQ功能，则当通信成功以后（主要是根据

根据以上两种情况，用示波器抓了以下几个图形，分别介绍如下：

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1）发射节点 CE 与 IRQ 信号

FIG5.1

黄色信号是 CE，绿色信号是 IRQ，当把节点配置为发射节点以后，将要传送

的数据通过 SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH)函数送

到发送 FIFO 缓冲区。CE 为高超过 10us，缓冲区中的数据通过无线向外发出。 如果使能 IQR 的全部功能（TX_DS,RX_DS,MAX_RT）当发送节点收到接收节点发来 的 ACK（表示接收节点成功收到信号）或是达到最大发射次数，IRQ 会变为低电 平，同时 CONFIG 的相关标志位（）会置 1。清除标志位（向 CONFIG 的标志位写 1）以后，IRQ 又变为高电平。

从 FIG5.1 可以看出，CE 置高后将近 10msIRQ 才置低。IRQ 置低是由于达 到最大发射次数（MAX_RT=1）,出现该情况可能是由于接收节点的配置与发射

节点不符（例如发射接收频率不同，或者发射接收字节不等），或者根本就没有 接收节点（例如接收节点就根本没上电）。

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2）SCK 与 IRQ 信号（发送成功）

Fig5.2

Fig5.2 中绿色信号是 SCK，黄色信号是 IRQ。第一批绿色信号表示节点的配

置过程。MOSI 信号（Fig5.2 中未显示出）在 SCK 的下降延送入 24L01 节点。（配 置一个寄存器需要两组 SCK 信号，填充 N 字节的 BUFFER 需要 N+1 组 SCK 信

号）。

配置完信号以后，将 CE（Fig5.2 中未显出）置高，则 24L01 开始发送（或

接收）数据，当发送（或接收）完成以后（或是达到最大发射次数），IRQ 置低。 单片机根据当时的状态进行相应的处理。

第二批绿色信号表示单片机在 IRQ 为低时对 24L01 的处理过程。可以是读

FIFO（作为接收节点时），写 FIFO（作为发射节点时），或是 Reset 24L01（达到 最大发射次数时）。

从 Fig5.2 可以看到，从第一批 SCK 的最后一个信号到 IRQ 置低大概需要 1ms

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（对比于 Fig5.1 的 12ms），说明通信成功（说明 IRQ 不是 MAX_RT 引起的）。

3）SCK 与 IRQ 信号（发送不成功）

Fig5.3

Fig5.3 与 Fig5.2 类似，只不过从第一批最后一个 SCK 信号到 IRQ 置低的时间间 隔变为将近 10ms，表明通信部不成功，IRQ 是由于达到最大发射次数引起的。

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4）SCK、IRQ、CE 信号

端 IRQ。Fig5.4 表示如下逻辑：

Fig5.4

Fig5.4 中紫色信号是发射端 CE，绿色信号是接收端 IRQ，黄色信号是发射

发射节点在配置完成以后（配制过程 Fig5.2 未显示），CE 置高，发射节点 FIFO 中的数据发出；接收节点成功接收到数据，IRQ 置低（从紫色信号与绿色信号之 间的时间间隔可以判断出通信成功）；接收节点自动发射 ACK（在发射和接收节 点都使能 ACK），发射节点收到 ACK 后 IRQ 置低，表示发送成功。

不同通信环境可能造成发射节点的 IRQ 与接收节点的 IRQ 产生将对的相位

变化（表现在示波器上面就是黄色信号靠近绿色信号或者远离绿色信号）。出现 这种情况主要是由于不同的通信环境造成接收端发送的 ACK 信号要重发几次才

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能被发送端收到。

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