“在 2K 中，你幾乎沒(méi)有刷牙的空間。”
-喬·德庫(kù)爾

挑戰(zhàn)和現(xiàn)有解決方案

由于硬件和軟件的挑戰(zhàn)，低端 8 針 ATtiny13A 與 nRF24L01 的組合并非易事。在我們對(duì)通用 8 引腳 MCU 的評(píng)論中，我們更詳細(xì)地描述了這種結(jié)合所面臨的硬件和軟件挑戰(zhàn)。回想一下，硬件挑戰(zhàn)如下圖所示：

將 nRF24 模塊與 ATtiny13A (t13a) 等 8 針 MCU 連接的硬件挑戰(zhàn)。

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ATtiny13A 實(shí)際上有 5 個(gè)引腳。如果我們將 PB5 從其主要功能（RESET/dWIRE）重新編程到 IO 端口，我們有 6 個(gè)引腳。但是，所有 6 引腳的使用都需要高壓編程。這對(duì)于在線串行編程 (ICSP) 并不總是可行的。此外，我們沒(méi)有任何備用引腳用于連接傳感器或連接到現(xiàn)場(chǎng)總線。從審查的現(xiàn)有解決方案來(lái)看，所有硬件提案原則上都適用于 ATtiny13A ，但每個(gè)都有相關(guān)的“成本”：

• Ralph 的 2 和 3 引腳解決方案需要幾個(gè)額外的無(wú)源元件。將 CE 永久拉高將無(wú)法充分利用 nRF24 模塊的節(jié)能功能。因此，它不是超低功耗應(yīng)用的理想解決方案。
• 不使用 IRQ 信號(hào)將釋放 1 針（例如 PB5），可用于其主要功能（RST/dWIRE），但我們?nèi)匀粺o(wú)法連接其他設(shè)備。
• 共享 CE 引腳不是通用解決方案。CSN 低時(shí)不會(huì)干擾模塊。但是，當(dāng)用于控制 nRF24 時(shí)，它可能與任何連接的設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)總線不兼容。
• 單向 SPI 適用于與主網(wǎng)關(guān)具有單向（單工）通信的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)。因此，這不是通用解決方案，而是適用于特定類型的 WSN。

不幸的是，并非所有經(jīng)過(guò)審查的軟件解決方案都具有足夠低的內(nèi)存占用和/或支持所有功能：

• 用于 Arduino 和 RPi 的 nRF 驅(qū)動(dòng)程序具有針對(duì)ATtiny 子系列的優(yōu)化分支。前叉仍然很大，甚至無(wú)法容納內(nèi)存是 t13a 兩倍的 ATtiny2313A。
• Nerd Ralp將針對(duì) ATtiny84 （8KiB 閃存，14 針）定制的 tinkerer.eu 庫(kù)移植到他的 ATtiny85（8KiB 閃存）。目前尚不清楚總體占用空間是多少以及它是否適合 1KiB 閃存。此外，該庫(kù)依賴于 t13a 系列中未提供的通用串行接口 (USI) 外圍設(shè)備。這可以通過(guò)bit-banging來(lái)解決。
• 這個(gè)特定的共享 CE 引腳解決方案在 t13a 上運(yùn)行，nRF24 的 SW 驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)精簡(jiǎn)的Mirf 庫(kù)，它只支持傳輸（盡管它需要具有 MOSI 和 MISO 信號(hào)的雙向 SPI）。

總而言之：所有列出的硬件解決方案都只優(yōu)化了一個(gè)參數(shù)——引腳數(shù)。它們都沒(méi)有同時(shí)優(yōu)化 1)能耗、2) 引腳數(shù)和3) 代碼占用空間。這對(duì)于超低功耗應(yīng)用至關(guān)重要。此外，還缺少一個(gè)合適的 SW 驅(qū)動(dòng)程序來(lái)支持半雙工無(wú)線通信，該驅(qū)動(dòng)程序可以適合 t13a 以及支持一些引腳數(shù)優(yōu)化解決方案。我們認(rèn)為還有進(jìn)一步提升的空間。出于這個(gè)原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)全新的 SW 庫(kù)，將在本文的其余部分進(jìn)行描述。該庫(kù)支持以下分別描述的三種硬件配置：

• 共享 CE 和 CSN 信號(hào) - 它可以獨(dú)立使用，也可以與其余兩種配置組合使用。
• 3線SPI（合并MISO和MOSI），
• 可選單向 SPI（無(wú) MISO）。

配置 1：共享 CE 和 CSN

共享 CE 和 CSN 配置

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CE 和 CSN 都是輸入引腳，根據(jù)nRF24 產(chǎn)品規(guī)范：

• CSN 是片選，低電平有效。需要至少 50ns的脈沖（低-高-低）持續(xù)時(shí)間來(lái)指示 SPI 上新事務(wù)的開始（規(guī)范中的第 49 頁(yè)，圖 25 和參數(shù) Tcwh，表 18-25）。如果我們保持 CSN 關(guān)閉但不提供時(shí)鐘信號(hào) (CSK)，則不會(huì)有數(shù)據(jù)流過(guò)，模塊也不會(huì)收到任何命令。因此，nRF24 將保持其當(dāng)前狀態(tài)，內(nèi)部寄存器不會(huì)受到影響。
• CE 用于在 RX 或 TX 模式下激活芯片，高電平有效。要將模塊的無(wú)線電切換到 TX 或 RX 模式，需要至少 10us的脈沖（第 22 頁(yè)的第 6.1.5 節(jié)和第 40 頁(yè)的圖 13）。

由此我們可以識(shí)別出共享 CE/CSN 信號(hào)的以下情況：

1) CE/CSN 為低電平，SCK 上無(wú)脈沖：默認(rèn)情況，未啟用無(wú)線電，nRF24 不受影響。

2) CE/CSN 為低電平，SCK 上的時(shí)鐘信號(hào)：MCU 和 nRF 模塊之間通過(guò) SPI 傳輸數(shù)據(jù)。

3) CE/CSN 上的脈沖大于 50ns 且小于 10us ：復(fù)位 SPI 接口并指示新事務(wù)的開始。

4) CE/CSN 上的10us脈沖：如果模塊之前處于StandBy-1模式（通過(guò) SPI 接口設(shè)置配置寄存器中的 PWR_UP 位激活），則啟用無(wú)線電模式（TX 或 RX）。

5) 將 CE/CSN 拉高 10us 以上：在 RX 模式下用于等待新消息。

我們將使用條件 (1) CE/CSN 低作為信號(hào)的默認(rèn)狀態(tài)。我們是否要啟用/禁用無(wú)線電（通常由 CE 控制）或通過(guò) SPI 讀/寫寄存器（通常由 CSN 控制）的選擇將使用不同的脈沖持續(xù)時(shí)間“編碼”。

如果我們想在 SPI 上執(zhí)行事務(wù)（訪問(wèn)控制/狀態(tài)寄存器和 TX/RX 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)），該過(guò)程將采取以下步驟：

• 1 -> 3 -> 2 -> 1 。

要啟用收音機(jī)，讓我們首先看看 TX 模式。在我們切換到 TX 模式之前，我們必須正確配置 nRF24 模塊（上電，進(jìn)入StandBy-1模式）并將數(shù)據(jù)上傳到 TX 緩沖區(qū)。這是通過(guò)上述常規(guī) SPI 事務(wù)和步驟完成的。之后，觸發(fā)傳輸?shù)倪^(guò)程將采取以下步驟：

• 1 -> 4 -> 1

模塊將切換到 TX 模式，將執(zhí)行所有操作（傳輸、等待確認(rèn)、重傳、超時(shí)），并且在所有 TX 緩沖區(qū)為空后將切換回StandBy-1模式，因?yàn)?CE 為低電平。如果我們一直保持 CE 為高電平，即使緩沖區(qū)為空，模塊也會(huì)進(jìn)入StandBy-2狀態(tài)。不同之處在于功耗：22uA 與 320uA，即StandBy-2 的15 倍。這樣的功耗等于完全激活狀態(tài)下 1MHz 的 ATtiny13A。模塊將停留在StandBy-1直到 MCU 將 nRF24 池化為狀態(tài)并最終關(guān)閉無(wú)線電（PWR_UP=0 位），即切換到PowerDown僅消耗 990nA 的狀態(tài)。CE 上的這個(gè)短脈沖節(jié)省了一些能量，這在超低功耗應(yīng)用中確實(shí)很重要。

從 nRF24 狀態(tài)機(jī)中刪除。狀態(tài)和轉(zhuǎn)換的顏色表示具有相關(guān)消耗的邏輯組：為無(wú)線電供電（綠色）、RX 模式（紅色）、TX 模式（藍(lán)??色）、共享狀態(tài)（黑色）

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接收（RX模式）的情況略有不同，因?yàn)槲覀円却容^長(zhǎng)的一段時(shí)間才能接收到一些數(shù)據(jù)。在 CE/CSN 上執(zhí)行 10us 的短脈沖是不夠的。一種選擇是將 CE/CSN 保持高電平一段所需的時(shí)間。在此期間，我們無(wú)法使用 SPI 訪問(wèn) nRF24。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在發(fā)送端設(shè)置足夠多的重傳、超時(shí)和消息確認(rèn)屬性來(lái)緩解。應(yīng)配置 SPI 事務(wù)讀取狀態(tài)寄存器的持續(xù)時(shí)間短于整個(gè)傳輸會(huì)話（包括重新傳輸）。該程序?qū)⒉扇∫韵虏襟E：

• 1 -> 5 -> 1

此解決方案適用于主要用于傳輸?shù)脑O(shè)備，但對(duì)于預(yù)期設(shè)備永久處于接收器模式的情況效果較差。對(duì)于這種情況，不合并 CE 和 CSN 可能更有效。相反，將 CE 拉至 Vcc（高電平）將使 ATtiny13A 無(wú)需關(guān)閉無(wú)線電即可匯集新消息。

配置 2：3 線 SPI

這個(gè)想法是通過(guò)一個(gè)電阻將 SPI 數(shù)據(jù)信號(hào) MOSI 和 MISO 合并為一個(gè)，如下圖所示：

3線SPI硬件配置

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這不是一個(gè)新想法，在各種設(shè)計(jì)中相對(duì)常見，以減少信號(hào)的數(shù)量。nRF24 模塊會(huì)在這樣的信號(hào)合并下正常工作嗎？此圖中顯示了 SPI 與文檔中的 nRF24 模塊的通信：

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1 / 2 ? nRF24：SPI 寫操作

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我們看到nRF24使用MISO發(fā)送狀態(tài)字節(jié)，而主控（MCU）向模塊發(fā)送命令，即全雙工通信。之后，MISO 線下降，僅在主 (MCU) 請(qǐng)求讀取操作時(shí)使用。兩個(gè)信號(hào)之間唯一可能的干擾是在開始時(shí)可能會(huì)破壞命令字節(jié)（在 MOSI 線上）。幸運(yùn)的是，這種“沖突”是通過(guò)電阻解決的。其值應(yīng)保證信號(hào)源/漏極不跨越 MCU 和模塊的引腳特性。在我們的案例中，從 4.7k 到 10k 的值運(yùn)行良好。

合并的 MISO/MOSI 節(jié)省了一個(gè)可用于直接控制 CE 的引腳。如果需要，可以將此配置與第一個(gè)配置混合使用 - 共享 CE/CSN，如下圖所示：

3 線 SPI 與共享 CE/CSN 的組合（3 引腳解決方案）

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配置 3：?jiǎn)蜗?SPI

這種配置降低了 MISO（主輸入，從輸出）線，使其成為 3 線 SPI，即減少了一個(gè)引腳數(shù)。我們可以將數(shù)據(jù)寫入 nRF24 模塊，但我們將無(wú)法讀取它們：

單向SPI

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它可能非常嚴(yán)格，但適用于某種類型的無(wú)線應(yīng)用程序 - 設(shè)備專門用作數(shù)據(jù)源（測(cè)量），它不接收來(lái)自其他設(shè)備或網(wǎng)關(guān)（中央集線器）的數(shù)據(jù)。如果我們可以有一個(gè) 3 線 SPI 來(lái)節(jié)省相同數(shù)量的引腳，為什么我們還需要單向 SPI？有兩個(gè)原因：

• 我們還希望最大限度地減少組件數(shù)量/成本和/或 PCB 尺寸和復(fù)雜性。
• 減少驅(qū)動(dòng)程序的內(nèi)存占用，從而為傳感器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序邏輯留下一些寶貴的空間。ATtiny13A 只有 1KiB 的閃存。

我們可以將此配置與第一個(gè)配置（共享 CE/CSN）相結(jié)合，以進(jìn)一步優(yōu)化 MCU 所需的引腳數(shù)，如下圖所示：

單向 SPI 與共享 CE/CSN 的組合（3 引腳解決方案）

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庫(kù)配置

代碼在 C ( nRF24L01.c) 和匯編程序 ( nRF24L01_asm.S) 中都實(shí)現(xiàn)。頭文件nRF24L01.h包含重要的常量和 API 函數(shù)的聲明。默認(rèn)情況下，該庫(kù)使用全 4 線 SPI 和獨(dú)立的 CE 和 CSN 信號(hào)。通過(guò)在文件中定義相應(yīng)的宏來(lái)配置庫(kù)以使用上述硬件選項(xiàng)之一。projdefs.h

#define	NRF24L01_SHARED_CE_CSN    // For shared CE/CSN configuration

此宏可以與以下任一（或無(wú)）組合：

#define	NRF24L01_3WIRE_SPI        // If used 3-wire SPI (with resistor)
#define	NRF24L01_DO_NOT_USE_MISO  // Uni-directional configuration

如果上述三個(gè)宏均未定義，則假定為默認(rèn)配置。

定義連接到哪些端口 nRF24 信號(hào)也通過(guò)projdefs.h標(biāo)頭中的宏完成。引腳配置宏是：

// MANDATORY macros for port output, port direction and pin reading:
#define NRF24L01_PORT		PORTB
#define NRF24L01_DDR		DDRB
#define NRF24L01_INPORT		PINB

為特定的引腳配置定義以下宏（如果適用 - 請(qǐng)參閱上面的功能）：

#define NRF24L01_CE     PB0    // Optional. Do not define if shared CE/SCN is enabled 
#define NRF24L01_CSN    PB2    // Mandatory
#define NRF24L01_SCK	PB1    // Mandatory
#define NRF24L01_MOSI	PB3    // Mandatory
#define NRF24L01_MISO	PB4    // Optional. Define only if 4-wire SPI is used.

API

API 只有 8 個(gè)（或 6 個(gè)，如果是單向的）方法。必須調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)是初始化：

void nrf24_init(void);

其余功能根據(jù) SPI 事務(wù)的長(zhǎng)度進(jìn)行拆分。零字節(jié)命令通過(guò)以下方式調(diào)用：

void nrf24_cmd(uint8_t cmd);

參數(shù)是文檔表 16 中的“命令字” ，例如：FLUSH_TX, FLUSH_RX, REUSE_TX_PL. 為方便起見，頭文件包含所有命令代碼的定義。

使用一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)調(diào)用命令（通常寫入寄存器）：

void nrf24_writeReg(uint8_t cmd, uint8_t value);

如果我們沒(méi)有單向 SPI 配置，我們也可以讀取寄存器：

uint8_t nrf24_readReg(uint8_t cmd);

參數(shù) cmd 包含作為單個(gè)字節(jié)的復(fù)合寄存器地址：如果讀取，則為 1 并且00wAAAAA是寄存器地址（第 9 章 - 寄存器映射）。wAAAAA

寫入 TX 緩沖區(qū)和多字節(jié)寄存器：

void nrf24_writeRegs(uint8_t cmd, const uint8_t *buff, uint8_t size);

如果我們不使用單向 SPI 配置，讀取緩沖區(qū)的函數(shù)：

void nrf24_readRegs(uint8_t cmd, uint8_t *buff, uint8_t size);

參數(shù)列表是不言自明的。最后一組 API 函數(shù)用于在一段時(shí)間內(nèi)“切換”CE 信號(hào)：

void nrf24_pulseCE(void);

這將在 CE 上產(chǎn)生大約 15us 的脈沖。該功能用于在無(wú)線電通電且 TX 緩沖區(qū)充滿數(shù)據(jù)后切換到 TX 模式。

為了使 CE 保持較高的持續(xù)時(shí)間（通常在使用共享 CE/CSN 配置時(shí)用于 RX 模式），應(yīng)使用以下函數(shù)：

void nrf24_pulseCE_ms(uint16_t milliseconds);

如果我們不與 CSN 共享 CE（單獨(dú)連接），則由應(yīng)用程序邏輯來(lái)控制 CE 引腳。

例子

該庫(kù)的存儲(chǔ)庫(kù)在main.c文件中包含一個(gè)工作示例，用于通過(guò) nRF24L01 驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送和接收 32 位序列號(hào)。

帶 ATtiny13A 的發(fā)射器

發(fā)射器結(jié)合了第一個(gè)（共享 CE/CSN）和第三個(gè)（單向）硬件配置。這占用了 MCU 上的 3 個(gè)引腳，剩下 2 個(gè)（如果沒(méi)有 RST，則為 +1）用于其他設(shè)備/傳感器/應(yīng)用程序。在我們的例子中，我們將一個(gè)紅色 LED 連接到 PB3：

發(fā)射器使用具有單向 SPI 的共享 CE/CSN

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應(yīng)用程序每 2 秒遞增一次，并向通道 120 上的管道 0 發(fā)送一個(gè) 32 位無(wú)符號(hào)整數(shù)。LED 亮起 800 毫秒以指示周期的開始。源代碼展示了從對(duì)講機(jī)上電、配置模塊、將數(shù)據(jù)移入緩沖區(qū)、傳輸和對(duì)講機(jī)電源的整個(gè)過(guò)程。

包括為 nRF24 設(shè)計(jì)的庫(kù)在內(nèi)的發(fā)射器應(yīng)用程序的總體占用空間為372 字節(jié)（可用 1KiB）和 6 字節(jié) SRAM（共 64 字節(jié)）。

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1 / 2 ?在面包板上具有共享 CE/CSN 和單向 SPI 的發(fā)送器示意圖

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帶 ATtiny13A 的接收器

接收器應(yīng)用程序不使用共享 CE/CSN，因?yàn)樵撃K僅在 RX 模式下工作并且不傳輸數(shù)據(jù)（確認(rèn)數(shù)據(jù)包除外）。為了優(yōu)化引腳數(shù)，我們應(yīng)用了總共占用 3 個(gè) MCU 引腳的 3 線 SPI：

接收器使用 3 線 SPI，CE 永久有效

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應(yīng)用軟件每 100 毫秒?yún)R集一次狀態(tài)寄存器以獲取新數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包到達(dá)，則將其讀入 MCU，并清除狀態(tài)。如果接收到的序列號(hào)與前一個(gè)序列號(hào)的增量相同，則綠色 LED 亮 1 秒。

包括為 nRF24 設(shè)計(jì)的庫(kù)在內(nèi)的接收器應(yīng)用程序的總體占用空間為420字節(jié)（可用 1KiB）和 6 字節(jié) SRAM（共 64 字節(jié)）。

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1 / 2 ?在面包板上始終啟用 3 線 SPI 和 CE 的接收器示意圖

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運(yùn)行演示應(yīng)用程序

同時(shí)運(yùn)行發(fā)射器和接收器：

如果接收器接收到預(yù)期的序列號(hào)，接收器的 LED（綠色）將亮起 1 秒。紅色 (TX) 和綠色 (RX) LED 之間的最大延遲約為 100 毫秒，這是由 RX 側(cè)的池化引起的。

概括

提議的 nRF24 庫(kù)的主要目標(biāo)和成就是：

• 最小化管腳數(shù)：它支持三種通用管腳優(yōu)化硬件配置（與此共享 CE 不同），不需要或單個(gè)電阻器（與Nerd Ralph 的解決方案不同）。nRF24 模塊在 MCU 上僅占用 3 個(gè)引腳而不是 6 個(gè)。這留下了其他 2 個(gè)引腳（如果 RST 用作 IO，則為 +1）用于連接傳感器或現(xiàn)場(chǎng)總線。
• 最小化功耗：專為超低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)。通過(guò)極少指令的優(yōu)化庫(kù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這減少了整體執(zhí)行時(shí)間。與其他類似方法（共享 CE/CSN 與 CE 永久激活）相比，引腳數(shù)最小化的方式為 nRF24 模塊提供更好的能量管理。
• 最小化庫(kù)的占用空間：非常低的占用空間 - 演示應(yīng)用程序有372 字節(jié)（發(fā)送器）和 420 字節(jié)（接收器），包括應(yīng)用程序的邏輯。它可以輕松裝入 ATtiny13A 并為其他應(yīng)用程序和連接的設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)總線留出足夠的空間。它可配置為半雙工或單工無(wú)線電通信，以進(jìn)一步最小化占用空間。與其他通用庫(kù)不同，它還可以部署在 ATtiny 子系列中具有相同或更大內(nèi)存的任何其他 MCU 上。SPI 接口實(shí)現(xiàn)為bit-banging，因此不依賴于通用串行接口 (USI)等外圍設(shè)備。

然而，實(shí)現(xiàn)給定的目標(biāo)需要付出一定的代價(jià)。API 提供的低粒度方法不如RF24 庫(kù)或類似庫(kù)中的高級(jí)方法方便。