深度解析NRF24L01

本文将深度解析一款烂大街的无线芯片，NRF24L01（及国产完全兼容的SI24R1）。实在是现在网上很多写NRF24L01的文章抓不到重点，一些冷门用法没人写，就写了这个文章。推荐选用SI24R1，原因是功能完全相同，但SI24R1内置PA，最大输出是7dbm，而挪威原版的NRF24L01+最大输出只有0dbm。因为2.4G是ISM频段，功率即正义！

以下以SI24R1为例进行说明

读写控制

spi配置

遵循以下配置即可：

CPOL 1 & CPHA 1或者CPOL 0 & CPHA 0，手册推荐使用后者，但是前者也是能用的
SPI CLK 配置10MHZ以下即可
SPI位宽配置为8bit
MSB在前

读寄存器

手册明确说明，CS拉低后的第一个字节被认为是命令字，这样也就没办法做常CS了，也就是必须把CS接到MCU，并保证在传输命令字之前CS有一个下降沿，这样才能读写有效！
所有的命令字如下
按照说明进行配置就可以了

基本传输

不使用其ARQ机制（在NRF24L01+被称为Enhanced ShockBurst™）的话，一次最基础的传输需要配置的寄存器数量是非常少的。

RX配置：

EN_AA(0x01) → 0x00 配置不使用自动ACK

EN_RXADDR(0x02) → 0x01 配置使能接收地址0

SETUP_SW(0x03) → 0x03 配置使用5字节地址，这个地址最好长一点，虽然短了会省一些空中带宽，但是也会增加碰撞的概率，为了稳定性，最好还是用最长的

RF_SETUP(0x06) → 0x07 配置使用1MBPS的空速，最大输出功率

RX_PW_P0(0x11) → 0x0A 配置使用固定接收长度10

CONFIG(0x00) → 0x03 配置使能，配置为接收模式

RF_CH(0x05) → 0x0A 配置射频信道为10，即2410MHZ，这个地方要注意，当使用2MBPS的空速时，相邻信道间最小要间隔2MHZ的频率，对于1MBPS和256kbps来说，信道间隔为1MHZ即可

RX_ADDR_P0 → 任意五字节地址，配置接收地址0

TX_ADDR → 任意五字节地址，最好和RX_ADDR_P0一样

TX配置：

将CONFIG的最低位设置为0，其他与RX一样。

需要注意的地方是，在配置CONFIG的时候，CE必须为低，因为模块不允许在工作模式下配置收发模式。

对于TX_ADDR和RX_ADDR的理解是这样的，RX_ADDR为要接收谁发送的消息，每个模块在发送的时候把自己的TX_ADDR写进去，这样所有的模块都去监测空中消息，当空中消息的ADDR与自己的某个使能的RX_ADDR匹配时就会进行接收。

参数配置

完整的配置时序如下：

发送处理

数据发送的时序，目前由于配置的是固定接收长度，因此需要写入正好10字节才能进行正常传输，，又由于我们没有屏蔽任何中断，因此当发送成功后会触发一次中断，一般在发送之前先调用FLUSH_TX(0xE1)命令清除一下FIFO，避免堆积导致的阻塞。

中断中需要读取STATUS寄存器，并将其写回，写回的动作将会清除中断

接收处理

接收端在接收到数据后会触发一个中断，同样的读取STATUS寄存器确定是否是接收中断，并在此之后清除STATUS。然后通过命令R_RX_PL_WID(0x60)指令读取当前接收到的数据包的长度，当然当长度约定为固定值时，该行为可以忽略。

之后按照长度将数据读取出来即可，一般在读取结束之后使用FLUSH_RX(0XE2)清除一下FIFO，避免堆积可能导致的阻塞

添加CRC

crc是硬件行为，当侦测到crc错误的时候，按照基本传输配置的话，接收端将不会产生数据接收中断。配置方式就是将CONFIG寄存器当中对应的位置上就可以了，其他配置与基本传输相同。

RX配置：

CONFIG(0x00) → 0x0F 配置使能，配置为接收模式，启用CRC16

TX配置：

CONFIG(0x00) → 0x0E 配置使能，配置为发送模式，启用CRC16

使用动态长度

如果都是用静态长度的话，其实传输不够灵活，所以NRF24L01提供了动态负载长度的功能，使用动态负载长度之后，只管对TX FIFO写入数据，只要别超过32字节就可以，因为FIFO深度就是32。写入结束后，直接拉起CE启动传输，数据就会被打包传输。此时在接收端只需要检查接收长度，并按照接收长度读取出数据即可。上面做普通传输的地方已经写了怎么在中夺冠中获取接收到的长度。使用动态负载长度后，对于RX_PW_Px寄存器就可以不去设置了。此时需要在TX和RX中多配置两个寄存器，分别如下：

TX&RX

DYNPD(0x1C) → 0x01 使能通道1的动态负载长度

FEATURE(0x1D) → 0x04 使能动态负载长度特性

使用ARQ（Enhanced ShockBurst™）

这个特性不知道为什么被很多人吐槽为影响稳定性，实际测试正确的使用ARQ还是对丢包问题有一定改善的。

这个特性原理很简单，就是NRF24L01内置了引擎，当发送完一个数据包后自动转入接收模式等待ACK，接收端接收到数据包之后，自动切换到发送模式发送一个ACK，之后切换回接收模式。发送端接收到ACK后切换回发送模式。一旦发送端没有接收到ACK，在延迟设定的时间后会发起一次重发，直到成功收到ACK或者到达最大重发次数。下面这个图就是一个传输过程的示意图：

里面关于中断的说明，当接收机第一次接收到数据包之后会触发一次RX中断，由于ACK丢失，主机不会产生TX完成中断而是会进行重发，接收机收到重发的包之后，因为之前已经接收过该数据包，则数据包被丢弃，但是会自动ACK，主机收到正常的ACK之后才会产生TX完成中断。

使用ARQ比较简单，只需要使能该特性，并配置最大重传次数和重传延迟时间就可以了，需要注意的是使用ARQ时必须使能CRC且需要设置RX_ADDR_P0与TX_ADDR相同，必须设置地址相同的原因是，接收机回ACK的时候会将数据包的地址写进去，这个地址就是之前发送方发送时填进去的TX_ADDR，如果发送方想收到这个ACK就必须配置成可以接收这个地址的配置，也就是RX_ADDR_P0需要与TX_ADDR相同。相对于基本传输，修改EN_AA的配置并多配置一个寄存器即可

RX & TX

EN_AA(0x01) → 0x01 配置通道0使用自动ACK

SETUP_RETR(0x04) → 0x35 配置最大重传5次，重传延迟1ms，需要注意这个地方，手册有说明不同空速下有一个最短的重传时间配置

多发单收

由上面介绍地址匹配时说到，单个NRF24L01接收地址可以配置6个，也就是说一个NRF24L01可以接收来自于6个模块的消息，只要没有发生碰撞即可。使用多地址也很简单，使能对应的通道，并配置接收地址即可，需要注意的是，手册有对地址设置限制的介绍：

当接收到数据后，在中断中对STATUS寄存器进行判断即可获取是哪个通道发送过来的数据。

带载ACK

使用ARQ时会自动传输一个ACK，既然已经有ACK了，那没有理由阻拦我们在ACK中带点东西回去，NRF24L01同样提供了带载ACK的选项。

需要注意，使用带载ACK的话必须使能动态负载长度，其主要需要修改的寄存器为FEATURE

TX & RX

FEATURE(0x1D) → 0x06 使能动态负载长度特性并使能带载ACK

使用时，接收机需要先把想要在接收到数据之后填进ACK的数据写入FIFO，写入地址为W_ACK_PAYLOAD(10101ppp b)其对应二进制码中的ppp为接收通道，也就是可以针对接收通道进行定制返回的信息，注意这个地方写入的地址不是W_TX_PAYLOAD。

其FIFO深度为32，共三页，建议一般使用其中一页即可。

负载写入后，当接收机接收到对应通道的数据后，就会将负载加到ACK包中返回。

对于发送放来说，ACK包返回触发的是TX完成中断，但是对于带载的数据包来说，同时还会触发RX中断，发送方按照正常的接收操作来进行就可以，数据还是通过R_RX_PAYLOAD进行读取。

按照手册的说法，数据应该在发送方发送之前写入，实际测试在数据接收中断中写入数据到W_ACK_PAYLOAD是可以随当次ACK返回的，但是会存在把模块卡死的概率，并不推荐这样使用，最好还是按照手册说明，尽量不要这么做。

半双工方式工作

通过手动切换模式可以达成半双工传输的模式。即模块上电后默认配置为接收模式，要发送是切换到发送模式，发送完成立刻切换回接收模式。在此过程中一定要注意状态转移图，在模块的不同状态切换之间是需要时间的，主要要符合时序要求才能稳定工作。

总结

总的来说NRF24L01还是一款相对来说比较有可玩性的无线模块，只是功率实在小了一点，在ISM频段，被干扰的概率过高，可以考虑上个PA什么的，这样可用性会提高很多。顺带该模块的状态转移速度还算比较快，可以考虑基于此模块做一下跳频算法，这样可以有效的提高抗干扰的能力，等有什么时候有兴趣了可以再写一下使用NRF24L01设计一套慢跳频的机制来提升其抗干扰能力的文章。