CATE CEVA DESPRE TRANSCIEVER-UL NRF24L01

Lucrand pentru proiectul meu de licenta am dat "nas in nas" cu transciever-ul bazat pe circuitul integrat NRF24L01 produs de firma NORDIC SEMICONDUCTOR. Este un device foarte ieftin, eu am cumparat 3 bucati la pretul 12 RON bucata. Deocamdata sunt faza testelor dar am considerat ca ar fi util sa impartasesc cate ceva despre aceasta jucarie. Recomand citirea posturilor anterioare privind protocolul SPI.

HERE WE GO !!

1.DETALII TEHNICE:

MODUL DE CONECTARE AL PINILOR SI COMENZILE SPECIFICE

Transcieverul NRF 24L01 produs de firma NORDIC SEMICONDUCTOR foloseste pentru a comunica cu exteriorul protocolul SPI. Din aceasta cauza pinii descrisi in cele ce urmeaza sunt caracteristici acestui protocol.

MOSI – master out (master=uC) slave in (transceiver)
MISO – master in slave out
CLK - semnalul de ceas dupa care se efectueaza transmisia
CSN - pin utilizat ori de cate ori se comunica cu transcieverul (ACTIVE LOW)
IRQ - interrupt request, atentioneaza ca in interiorul transcieverului s-a intamplat ceva
CE - chip enable, se utilizeaza pentru controlul transmisiei (RX: CE=HIGH, TX: CE=LOW)
VCC - pinul de alimentare 3.3V
GND

Din cele patru moduri de transmitere a informatiei prin protocolul SPI NRF 24L01 foloseste modul "0" (CPHA=0, CPOL=0). Din acest motiv modulul SPI din iteriorul uC trebuie setat in acest mod.

Pentru a citii sau scrie date in registrii interni ai transcieverului se folosesc o serie de comenzi prezentate in urmatorul tabel:

R_REGISTER se utilizeaza pentru a citii datele din interiorul unui SFR al transcieverului. Modul de utilizare este urmatorul: in locul caracterelor "A" se introduce adresa pe care dorim sa o citim. Aceata valoare se transmite prin SPI transcieverului. In acest moment NRF-ul stie ca trebuie sa citeasca o anumita adresa. Pentru a "scoate" valoarea acesteia se mai transmite un numar de bytes egali cu latimea registrului care trebuie citit. De exemplu daca dorim sa citim un registru care are latimea de 1 byte si este localizat la adresa 01h algoritmul este urmatorul:

CSN se face LOW;
Se trimite prin SPI instructiunea R_REGISTER care este de forma: 0b00000001;
Desi nu ne intereseaza este nevoie sa citim ceea ce ne trimite NRF-ul.
Se trimite un byte oarecare ( de obicei NOP) iar ceea ce primim inapoi este chiar valoarea adresei care ne intereseaza.

W_REGISTER se utilizeaza pentru a scrie o anumita valoare intr-un registru intern al NRF-ului. Modul de utilizare este urmatorul: in locul caracterelor "A" se introduce adresa pe care dorim sa o citim. Aceata valoare se transmite prin SPI transcieverului. In acest moment NRF-ul stie ca trebuie sa scrie la o anumita adresa. Pentru a "scrie" valoarea acesteia se mai transmite un numar de bytes egali cu latimea registrului care trebuie citit. De exemplu daca dorim sa citim un registru care are latimea de 1 byte si este localizat la adresa 03h algoritmul este urmatorul:

CSN se face LOW;
Se trimite prin SPI instructiunea W_REGISTER care este de forma :0b00100011;
Desi nu ne intereseaza citim ceea ce ne trimite in aceasta faza NRF-ul;
Trimitem pe SPI un byte care va fi scris la adresa 03h;
Citim din nou ceea ce primim.

Inainte de a explica R_RX_PAYLOAD si W_TX_PAYLOAD ar trebui discutat conceptul de "payload". Payload-ul nu este altceva decat denumirea data de producator pentru datele primite si transmise.

Atat pe partea de transmise (TX) cat si pe cea de receptie (RX) exista cate un registru de tip FIFO (first in first out) structurat pe cate trei nivele. Latimea acestor nivele poate fi de la 1 la 32 bytes, in functie de cum se seteaza payload-ul. Sa luam de exemplu RX FIFO si sa consideram ca in modul de comunicare intre doua transceivere de tip NRF 24L01 datele au fost setate sa aiba o latime de 5 bytes .

Emitatorul (TX) trimte primul payload acesta este primit de catre receptor (RX) si stocat in primul nivel al RX FIFO al acestuia. In acest moment mai sunt libere inca doua nivele. Receptorul poate fi setat sa citeasca primul payload sau mai poate astepata pana RX FIFO se umple (inca doua payload-uri) si de abia dupa aceea sa citeasca succesiv datele primite.

R_RX_PAYLOAD se utilizaza pentru a citii datele primite. Dupa cum am vazut atunci cand transcieverul este in modul RX pinul CE este setat HIGH. Dupa ce am primit maximum 3 payload-uri (RX FIFO este plin) si minim 1, CE se setaza LOW si se trece la executarea urmatorului algoritm:

Se trimite prin SPI 0b01100001;
Desi nu ne intereseaza citim ce ne trimite NRF-ul;
Se trimite un byte oarecare prin SPI NRF-ului iar ceea ce citim inapoi este de fapt byte-ul zero al payload-ului. Se continua trimiterea si citirea de bytes pana cand a fost atinsa latimea la care a fost setat payload-ul.

W_TX_PAYLOAD se utilizeaza pentru a scrie datele in TX FIFO, adica datele care vor fi transmise. In modul TX pinul CE este setat LOW. Se executa urmatorul algoritm:

Se trimite prin SPI 0b10100000;
Desi nu ne intereseaza citim ceea ce ne trimite NRF-ul;
Se incarca nivelele sau , daca se doreste, doar primul nivel al TX FIFO cu un numar de bytes egal cu latimea payload-ului. Acest lucru se face trimitand succesiv prin SPI numarul dorit de bytes avand grija sa citim in acelasi timp ceea ce ne trimite tranceiver-ul.
Dupa ce au fost incarcate datele CE se seteaza HIGH pentru o perioda de minim 10 uS.

FLUSH_TX si FLUSH_RX sunt folosite pentru a sterge datele existente in RX si TX FIFO.
REUSE_TX_PL se utilizeaza pentru a transmite in mod constant aceleasi date incarcate in TX FIFO.
NOP dupa cum ii zice si numele nu executa nimic si este folosit pentru a citii starea registrilor, de exemplu registrul STATUS.

DESCRIEREA REGISTRILOR INTERNI

00h . REGISTRUL CONFIG

BIT0 – PRIM_RX seteaza modul de operare : 1 = RX , 0=TX;
BIT1 – PWR_UP porneste sau opreste transciever-ul 1=ON, 0=OFF;
BIT2 – CRCO modul de codare a CRC-ului 1 = 2 bytes, 0 = 1byte;
BIT3 – EN_CRC seteaza daca CRC-ul este activ sau nu;
BIT4 – MASK_MAX_RT seteaza daca se utilizeaza ca intrerupere depasirea numarului maxim de retransmiteri a datelor 1=se utilizeaza si se genereaza o intrerupere pe pinul IRQ, 0 = nu se utilizeaza.
BIT5 – MASK_TX_DS seteaza daca se utilizeaza ca intrerupere trimiterea cu succes a unui pachet 1 = se genereaza o intrerupere pe pinul IRQ, 0 = nu se utilizeaza;

BIT6 – MASK_RX_DR seteaza daca se utilizeaza ca intrerupere primirea cu succes a unui pachet 1 = se genereaza o intrerupere pe pinul IRQ, 0 = nu se utilizeaza;
BIT7 – NU SE UTILIZEAZA

01h . REGISTRUL EN_AA (ENHANCED SHOCKBURST)

Inainte de a vorbi despre acest registru este necesar sa discutam putin despre conceptul "data pipe". Sa dam urmatorul exemplu:

Sa presupunem ca utilizam 3 transcievere (T1, T2, T3 ) astfel: Primul dintre ele primeste datele de la celelalte doua si in functie de ceea ce primeste trimite date celor doua transcievere inapoi.

Figura 1 : Data pipes si adresele

Cum frecventa este fixa cum se poate afla cine a trimis primului transciever (T1) date ? Simplu. Prin "data pipes". Fiecare NRF24L01, in modul RX, dispune 6 astfel de "data pipes". In functie de cum se seteaza (vom vedea mai tarziu in care registru) payload-ul este atasat uneia dintre ele. De asemenea trebuie aleasa si o adresa unica pentru fiecare data pipe. Privind "Figura 1" observam ca atunci cand T1 comunica cu T2 datele sosesc la adresa A1 iar cand comunica cu T3 datele sosesc la adresa A2. Cand T1 trimite date catre T2 adresa sa TX trebuie schimbata cu adresa de RX a data pipe 0 a acestuia adica A1 si cu A2 cand trimite catre T2.

Revenind la registrul de mai sus acesta are rolul de a activa "auto acknwledgement" pentru fiecare data pipe folosita. Auto acknwledgement inseamna autoconfirmarea primirii sau transmiterii cu succes a datelor.

02h . REGISTRUL EN_RXADDR

Acest registru are rolul de a activa sau dezactiva data pipes folosite. Revenind la exemplul de mai sus putem spune ca atunci ca deoarece T1 comunica cu alte doua transcievere atunci sunt necesare doar doua data pipes, care se activeaza scriind "1" bitului aferent acesteia.

03h . REGISTRUL SETUP_AW

In acest registru setand bitii 1:0 se fixeaza latimea adresei atat in modul RX cat si in TX:

'00' – nu se poate alege;
'01' – latimea este de 3 bytes;
'10' – latimea este de 4 bytes;
'11' – latimea este de 5 bytes.

Este de recomandat sa se aleaga o latime a adresei de 5 bytes deorece exista sanse mai mici de interferenta cu alte dispozitive care functioneaza in banda de 2.4 Ghz.

04h . REGISTRUL SETUP_RETR

Exista sansa ca nu intotdeauna datele sa ajunga "din prima" la receptor. Acest registru seteaza intervalul de timp la care se va face retransmisia si numarul de retransmisii. Acesta din urma nu poate fi mai mare de 15.

05h . REGISTRUL RF_CH

In acest registru este setata frecventa de operare a transcieverului utilizand in acest scop bitii 6:0. Numarul obtinut combinand acesti biti reprezinta numarul canalului pe care opereaza transcieverul intre fiecare canal existand un ecart de 1Mhz. Se poate deduce astfel ca exista 127 de canale frecventa minima fiind 2.4 Ghz iar cea maxima 2.527 (2.4+0.127) Ghz.

06h . REGISTRUL RF_SETUP

In acest registru se seteaza puterea transmisei RF_PWR (bitii 2:1) si viteaza de transmisie RF_DR (bitul 3).

07h . REGISTRUL STATUS

STATUS este unul dintre cei mai importanti registrii deoarece confera informatii despre starea actuala a transciever-ului. Sa luam pe rand fiecare bit:

BIT0 – TX_FULL : semnalizeaza daca mai sunt locatii libere in TX FIFO. 1 = TX FIFO este plin; 0 = mai exista locatii libere in TX FIFO
BIT 3:1 – RX_P_NO : combinatia dintre acesti biti semnalizeaza la care din cele 6 data pipe au fost primite date. Revenind la exmplul cu cele 3 trancievere, pentru a sti de la cine a primit T1 date se verifica acesti biti. In cazul lui T2 si T3 valoarea acestor biti va fi '000' atunci cand se primeste ceva deoarece se utilizeaza numai data pipe 0
BIT 4 – MAX_RT : flag de intrerupere atunci cand numarul maxim de retransmisii a fost atins. Ca o ciudatenie, pentru a sterge acest flag trebuie scris bitul tot cu valoarea 1 .
BIT5 – TX_DS : flag de intrerupere care semnalizeaza daca pachetul a fost trimis cu succes. Daca AUTO_ACK este activat atunci acest bit va fi setat numai daca a fost facuta confirmarea primirii cu succes a pachetului.
BIT6 – RX_DS : flag de intrerupere care semnalizeaza daca pachetul a fost primit cu succes.

08h . REGISTRUL OBSERVE_TX

BIT 3:0 – ARC_CNT : numara de cate ori au fost retransmise pachetele pentru o anumita data pipe. Daca se transmite un pachet nou numaratoarea se reseteaza.
BIT 7:4 – PLOS_CNT : numara de cate ori a fost a fost retransmis un pachet pentru numarul maxim de retransmisii setat in registrul SETUP_RETR prin bitii 3:0 (ARC). De exemplu daca se setaeza ARC=1111 adica maximum posibil (15) si daca numarul de retransmisii a depasit aceasta valoare atunci PLOS_CNT se incrementeaza cu +1. Numarul maxim inregistrat este 15. Dupa aceasta valoare nu se mai inrcrementeza pana la reset.

Acest registru are rolul de a ne ajuta sa ne dam seama daca calitatea semnalului este buna in zona in care dorim sa lucram. Daca se pierd multe pachete atunci fie distanta este prea mare fie ar trebui schimbata frecventa in registrul RF_CH.

09h . REGISTRUL CD (carrier detect)

Un singur bit se foloseste in acest registru : bitul 0. Citind acest bit se poate verifica daca cineva sau "ceva" transmite pe frecventa NRF-ului.

In registrii 0Ah : 0Fh se seteaza adresele data pipes utilizate.

Latimea maxima a adresei fiecarei data pipe este de 5 bytes, aceasta setandu-se in registrul SETUP_AW. Pentru RX_ADDR_P0 si RX_ADDR_P1 aceasta adresa poate fi orice combinatie de maxim 5 bytes. Pentru RX_ADDR_P2, RX_ADDR_P3, RX_ADDR_P4 si RX_ADDR_P5 primii bytes sunt identici cu cei ai RX_ADDR_P1 iar ultimul byte se incrementeaza cu +1 asa cum este aratat in tabel.

Revenind la exemplul cu cele 3 transcievere (T1, T2, T3) in acesti registrii se vor seta urmatoarele adrese:

pentru T1 adresa RX_ADDR_P0 = A1 ; RX_ADDR_P1=A2;
pentru T2 adresa RX_ADDR_P0 este A1;
pentru T3 adresa RX_ADDR_P0 este A2,

unde A1, A2, A3 sunt adrese cu o latime de la 1 la 5 bytes.

10h . REGISTRUL TX_ADDR

In acest registru este setata adresa de transmise a transciever-ului. Latimea acesteia fiind setata in registrul SETUP_AW.

Pentru cele trei transcievere aceasta adresa se seteaza in modul urmator:

pentru T1 daca comunica cu T2 TX_ADDR=A1 iar daca comunica cu T3 este egala cu A2;
pentru T2 TX_ADDR=A1;
pentru T3 TX_ADDR=A2,

unde A1, A2, A3 sunt adrese cu o latime de la 1 la 5 bytes.

In registrii 011h : 016h se seteaza latimea payload-ului pentru fiecare data pipe:

Pentru a utiliza payload-ul trebuie seatata macar o latime de 1 byte. Apeland din nou la exemplul cu cele 3 transcievere si presupunand ca T1 schimba cu T2 date care au latimea de 2 bytes si cu T3 de 5 bytes se pot face setarile:

pentru T1: RX_PW_P0 = 000010, RX_PW_P1 = 000101;
pentru T2 : RX_PW_P0 = 000010 ;
pentru T3: RX_PW_P0 = 000101 .

17h . REGISTRUL FIFO_STATUS