PIC单片机使用RF无线射频模块nRF24L01的方法

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在物联网时代，无线通信在日常生活中变得越来越流行。如今，设备可以通过云或本地网络相互通信。当谈及本地无线通信时，需要一个执行这些任务的RF系统模块，我们可以找到具有各种配置的RF系统模块，例如低功耗蓝牙、Zigbee、ESP Wi-Fi模块、433MHz RF模块、Lora、nRF等。今天，在本文中，我们将讨论nRF24L01，它是Nordic Semiconductor公司的RF收发器。该模块在2.4GHz频段下运行，其波特率为250Kbps至2Mbps。 250Kbps至2Mbps的波特率在许多国家都是合法的，这就是为什么将其用于工业和医疗应用的原因。有许多基于nRF24L01芯片的模块可用，其中一种模块带有板载天线通讯范围可达100m，另一种模块使用外部天线通讯范围可达1000m。在本文中，我们将在Arduino开发板与PIC18F622K微控制器之间建立无线通信，通过这种方式，我们可以对通信过程的工作方式有一个更清晰的了解，让我们开始吧。

什么是nRF24L01 2.4GHz射频收发器模块？

nRF24L01是单芯片低功耗RF收发器模块。这就是为什么我们可以将其配置用于发送和接收的模块。但是nRF24L01只能执行半双工通信，因此我们可以一次发送或接收数据。 nRF24L01工作在2.4GHz频段，可合法用于工业、科学和医学用途。该模块的引脚如下所示。

该模块的功耗非常低，这就是为什么它适合物联网项目的原因。由于该模块通过SPI通信，因此很容易通过SPI总线与任何微控制器连接。而且，此模块对于100m至1000m的远程通信具有250Kbps至2Mbps的极高传输速度。

这是一个非常便宜的模块，可在2.4GHz ISM频段下运行。它的最大吞吐量为2Mbps，并且该模块的信号采用GFSK调制技术进行编码。该模块工作在1.9V至3.6V，仅消耗13.5mA电流，在深度睡眠模式下，消耗26uA电流。该模块另外一个优势是，模块的SPI引脚可承受5V的电压，因此我们可以将该模块直接与Arduino通信，而无需逻辑电平转换器。

所需的组件

●    PIC单片机（PIC18F46K22）

●    Arduino Uno / Nano开发板

●    nRF24L01模块

●    20MHz晶振

●    33pf电容

●    4.7k电阻

●    10uF和0.1uF电容

●    LED指示灯

●    按键开关

●    面包板

●    跳线

连接nRF24L01和PIC18F46K22单片机的原理图

下面显示了制作基于PIC18F6K22的SPI通信电路的完整原理图。

注意：nRF24L01模块对电源噪声非常敏感。因此，最好在电源中增加一个去耦电容，可以是10uF和0.1uF。 Arduino开发板上的3.3V引脚可能无法为nRF24L01模块提供足够的电源。因此，使用外部电源是一种好方法。

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在PIC单片机和Arduino微控制器之间建立通信的代码

在本文中，我们使用nRF24L01库在PIC18单片机和Arduino之间通过RF发送和接收数据。我们使用Microchip代码配置器（MCC）为（PIC18F46K22）配置程序。

注意：为方便起见，我们已从Arduino移植了NRF库，您可以通过单击下面的链接来下载：

Arduino库

PIC18F46K22单片机的代码

首先在代码中包含上面提到的库文件。

1. #include "mcc_generated_files/mcc.h"
   
2. #include "nrf24_lib.h"
   
3. #include <string.h>

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接下来，我们定义2个宏，用于为nRF24L01 Tx操作和Rx操作配置应用程序。对于Tx操作，我们需要将NRF24L01_TX_EX的值更改为1；对于Rx操作，我们需要将其值更改为0。

1. #define NRF24L01_TX_EX  0
   
2. #define NRF24L01_RX_EX  !NRF24L01_TX_EX

复制代码

接下来，我们使用Timer0定义一个回调函数，用于每1秒间隔闪烁LED。

1. void blink_led() {
   
2. LED_Toggle();
   
3. }

复制代码

在main()函数中，我们调用SYSTEM_Initialize()函数来初始化系统外设，例如（INTERRUPT、Pin、Timer0、UART、SPI1），并启用全局和外设中断。

1. void main(void)
   
2. {
   
3. // Initialize the device
   
4. SYSTEM_Initialize();
   
5. // If using interrupts in PIC18 High/Low Priority Mode you need to enable the Global High and Low Interrupts
   
6. // If using interrupts in PIC Mid-Range Compatibility Mode you need to enable the Global and Peripheral Interrupts
   
7. // Use the following macros to:
   
8. // Enable the Global Interrupts
   
9. INTERRUPT_GlobalInterruptEnable();
   
10. // Disable the Global Interrupts
    
11. //INTERRUPT_GlobalInterruptDisable();
    
12. // Enable the Peripheral Interrupts
    
13. INTERRUPT_PeripheralInterruptEnable();
    
14. // Disable the Peripheral Interrupts
    
15. //INTERRUPT_PeripheralInterruptDisable();

复制代码

系统初始化后，我们调用TMR0_SetInterruptHandler()函数设置回调函数，然后启动Timer0。

1. TMR0_SetInterruptHandler(blink_led);
   
2. TMR0_StartTimer();

复制代码

完成所有初始化后，我们可以使用nRF24L01开始该过程。首先，我们需要初始化nRF24，为此，我们调用nrf24_rf_init()函数以及nRF24L01操作模式（Tx或Rx）和RF通道频率（0-127）。成功初始化nRF24后，打印当前配置的nRF24的寄存器映射设置。

1. #if NRF24L01_TX_EX
   
2. ret = nrf24_rf_init(TX_MODE, 115); // Tx mode with 2400+115 Ghz RF frq
   
3. #elif NRF24L01_RX_EX
   
4. ret = nrf24_rf_init(RX_MODE, 115); // Rx mode with 2400+115 Ghz RF frq
   
5. #endif
   
6. if (ret == NRF24_INIT_OK) {
   
7.     printf("###############################################################\r\n");
   
8.     printf("NRF24L01 Initialize successful\r\n");
   
9.     nrf24_printf_rf_config();
   
10.     printf("###############################################################\r\n");

复制代码

初始化nRF24之后，我们在while循环中执行Tx和Rx操作过程。

●  在Tx模式下：我们创建一个带有整数变量值的缓冲区，并将该缓冲区传递给nrf24_send_rf_​​data()并递增整数变量值。

1. #if NRF24L01_TX_EX
   
2.     static char val = 0;
   
3.     sprintf(bufferTX, "Sending: %d", val);
   
4.     nrf24_send_rf_data(bufferTX);
   
5.     val++;
   
6.     __delay_ms(100);

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●  在Rx模式下：我们监视nrf24_is_rf_data_available()以获取nRF24是否接收某些数据的状态。接收到一些数据后，我们调用nrf24_read_rf_​​data()将接收到的数据放入缓冲区并打印缓冲区。

1. #elif NRF24L01_RX_EX
   
2.     while (nrf24_is_rf_data_available()) {
   
3.     }
   
4.     nrf24_read_rf_data(bufferRX);
   
5.     printf("RX data %s\r\n", bufferRX);
   
6.     __delay_ms(10);
   
7. #endif

复制代码

Arduino的代码

首先在代码中包含所有必需的库。该库包括用于访问nRF24L01命令的RF24、SPI库和printf库。而且，我们还包括一些将用于将模块设置为发送器和接收器。

1. //Include Libraries
   
2. #include <SPI.h>
   
3. #include <nRF24L01.h>
   
4. #include <RF24.h>
   
5. #include "printf.h"
   
6. #define NRF24L01_TX_EX  1
   
7. #define NRF24L01_RX_EX  !NRF24L01_TX_EX

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接下来，我们为RF24创建一个实例，并传递CE和CSN PIN，我们还保存了要与模块进行通信的地址。

1. //create an RF24 object
   
2. RF24 radio(9, 8);  // CE, CSN
   
3. //address through which two modules communicate.
   
4. const byte address[6] = {0xe1, 0xe1, 0xe1, 0xe1, 0xe1};

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接下来，我们定义setup函数。我们初始化了串口监视器以进行调试，并且还设置了NRF24 Radio。

1.   Serial.begin(115200);
   
2.   printf_begin();
   
3.   Serial.println(F("\n\rRF24/examples/scanner/"));
   
4.   // Setup and configure rf radio
   
5.   radio.begin();
   
6.   radio.setAutoAck(false);

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现在，记住我们定义的两个宏。借助这些宏，您可以非常轻松地将模块设置为发送器或接收器。

1. #if NRF24L01_TX_EX
   
2.   //set the address
   
3.   radio.openWritingPipe(address);
   
4.   radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); //set as: RF24_PA_MIN, RF24_PA_LOW, RF24_PA_HIGH, RF24_PA_MAX
   
5.   radio.setDataRate(RF24_2MBPS); //set as: F24_250KBPS, F24_1MBPS, F24_2MBPS ==>250KBPS = longest range
   
6.   radio.setChannel(115); //sets channel from 2.4 to 2.524 GHz in 1 MHz increments 2.483.5 GHz is normal legal limit
   
7.   radio.setCRCLength(RF24_CRC_8);
   
8.   radio.printDetails();
   
9.   //Set module as transmitter
   
10.   radio.stopListening();
    
11. #elif NRF24L01_RX_EX
    
12.   radio.openReadingPipe(0, address);
    
13.   radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); //set as: RF24_PA_MIN, RF24_PA_LOW, RF24_PA_HIGH, RF24_PA_MAX
    
14.   radio.setDataRate(RF24_2MBPS); //set as: F24_250KBPS, F24_1MBPS, F24_2MBPS ==>250KBPS = longest range
    
15.   radio.setChannel(115); //sets channel from 2.4 to 2.524 GHz in 1 MHz increments 2.483.5 GHz is normal legal limit
    
16.   radio.setCRCLength(RF24_CRC_8);
    
17.   // Get into standby mode
    
18.   radio.startListening();
    
19.   radio.stopListening();
    
20.   radio.printDetails();
    
21.   // Get into standby mode
    
22.   radio.startListening();
    
23. #endif

复制代码

接下来，在loop()函数中，我们定义了32个数组，将消息存储到该数组中并将其发送到另一个模块。现在，借助sprint()函数，我们一次发送一个字符，并在串口监视器窗口上打印该值以进行调试。

1. void loop()
   
2. {
   
3. #if NRF24L01_TX_EX
   
4.   //Send message to receiver
   
5.   char text[32] = {0};
   
6.   sprintf(text, "Hello PIC18 %d", val++);
   
7.   radio.write(&text, sizeof(text));
   
8.   Serial.println(text);
   
9. #elif NRF24L01_RX_EX
   
10.   //Read the data if available in buffer
    
11.   if (radio.available())
    
12.   {
    
13.     char text[32] = {0};
    
14.     radio.read(&text, sizeof(text));
    
15.     Serial.println(text);
    
16.   }  
    
17. #endif
    
18. delay(250);
    
19. }’

复制代码

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测试和调试通信过程

我们完成电路搭建，并上传代码后，将通过使用放入代码中的调试日志对电路进行测试。 如您所见，我们已经使用Arduino IDE串口监视器和UART转换器来输出Arduino UNO的调试数据，而对于PIC微控制器，我们使用了PuTTY串口监视器。

调试日志（Uno作为Tx，PIC作为Rx）：

首先我们在Arduino IDE串口监视器上看到“ Hello PIC18 10”消息。 然后，我们在PIC微控制器侧查看PuTTY串口监视器，以验证接收到的数据消息是否相同。 下图显示了这一点。

调试日志（Uno为Rx，PIC为Tx）：

首先我们在PuTTY串口监视器中看到“ Hello Arduino 10”消息，然后就在Arduino IDE串口监视器中检查以确认接收到的数据消息是否相同。