[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

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

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

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

 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 }

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

 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 }

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：

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：

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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