nRF24L01用于带有ATtiny13A的超低功耗传感器

描述

动机

（极客直接跳到挑战和现有解决方案部分）

用于监控各种环境和天气条件（温度、湿度、压力、光线、雨水、气体、运动）的（自制）物联网系统的设计和部署已成为每个（初级）爱好者所做的最受欢迎的项目之一一生至少一次。来自 OEM 和 DIY 套件供应商的硬件构建块的可用性，以及大量的免费软件（开源、现成的解决方案、库、驱动程序、IDE、应用程序、操作系统、云中间件等）已经使项目纯粹是明智的。设计师的角色通常被简化为只选择正确的传感器模块，这些模块连接到“强大”的 MCU 板（ESP32 、Raspberry 、Arduino)，将现有软件（驱动程序、库）粘合在一起，并编写简单的应用程序逻辑。更不用说无数的指南、博客和 YouTube 教程了。

这种方法具有许多优点，例如快速原型制作、不需要深入的知识和经验、非常有趣、大量支持以及没有（或显着减少）挫折感。对于那些决定进一步推进该项目并希望在其财产中/周围构建和部署大量传感器，甚至商业化（至少将解决方案出售给您的朋友或家人）的少数人来说，这种方法有几个缺点。最重要的是解决方案的整体价格（如果你卖掉它，利润会更低）。事实上，它可能比知名品牌的高价产品便宜。但是，使用ESP32 （双核 32 位 @ 160 或 240MHz、320 KiB RAM、448 KiB ROM CPU 以及大量 IO 和总线）从臭名昭著的传感器（例如DHT11, DHT22 , DS18B20 , AM2320 , BMP280 ) 通过 SPI/I2C/单线总线。除此之外，使用 Wi-Fi 将几个字节转发到中央集线器（另一个 ESP32 或 Raspberry）与（能源）效率无关。蓝牙低功耗 (BTE) 配置文件可能会有所改进，但是，模块（例如HC-05）的价格比 MCU 本身（包括一些传感器）贵数倍。

综上所述，小型物联网传感器主要有两个非功能性需求：

• 成本优化：由于数量大，生产要经济。因此，物联网传感器应该体积小（PCB），基于低端和低成本的 MCU （以最大限度地利用资源），并使用廉价的连接进行远程访问。低端 MCU 的引脚数较少，有利于 PCB 优化，但它限制了连接的 IO 设备/传感器的数量。此外，低端 MCU资源稀缺（闪存、RAM、IO、总线），这限制了整体功能（应用程序并需要 IO 协议的 SW bit-banging）。然而，物联网传感器通常只收集少数环境属性（2 个，也许 3 个）。这不需要使用大量的引脚和 MCU 资源。
• 易于部署和自主：传感器应易于重新部署（连接），无需改变其周围和环境。不需要额外安装电线来为传感器提供电源和通信，即传感器应该是无线的和电池供电的（或能够从环境中提取能量）。因此，此类传感器（包括通信模块）需要超低功耗（纳至微安范围）以避免频繁更换电池。

对于通信模块，有多种 COTS 选项可以同时满足低成本和超低功耗的需求。其中之一是收发器nRF24L01+，特别受创客和爱好者的欢迎。它价格低廉（中国网上商店的分线板从 0.8 美元起）和超低功耗（掉电模式下为 990nA，待机模式下为 22uA，最大功率下 TX/RX 期间为 12mA）。此外，它具有简单的接口（尽管是 3.3V 供电设备，但具有 5V 容限逻辑引脚的 SPI）、许多有利的特性（例如 ISM 频带 2.4GHz，范围从 100 到 1000m、0.5-1-2 Mbps 带宽、自动-retransmit、auto CRC check、multiciever）、大量廉价（突破）模块（见下文）和几个 SW 库（nRF24 用于 Arduino/Raspberry Linux ）。

受爱好者欢迎的典型低端（成本）MCU 是8 位 AVR子系列，带有称为ATtiny的有限外设集，特别是 8 针25/45/85和 14 针24/44/84版本（第一个数字是以 KiB 为单位的闪存大小）。Arduino 的 28 针ATmega328P属于 ATmega 系列，具有广泛的外设和指令集。它提供 32KiB 闪存、4 倍更大的 RAM、更多 IO 设备，而且价格更高。在 (PCB) 尺寸、低引脚数和成本非常重要的情况下，ATtiny 系列 25/45/85 和 24/44/84 可能比 328P 更可取。

另一个有趣的低端 MCU 是带有 1KiB 闪存和 64B SRAM的 8 针ATtiny13A 。它比 25/45/85 和 24/44/84 ATtiny 系列便宜 2-4 倍（< 1 美元）并且消耗更少的能量。因此，它在小型、简单、电池供电的低成本设计（大多数无线传感器都是如此）中特别受欢迎。

将 ATtiny13A 与低功耗无线模块 nRF24L01+ 相结合，对于满足上述非功能性要求的物联网传感器来说，似乎是一个可行的选择。

为什么有人会费心将 nRF24L01+ 安装在 8 针微型 ATtiny13A 和 1 KiB 闪存上的另一个原因，该闪存已经有 3 个针脚被超低功耗设备中的传感器占用，这是……只是为了玩得开心，大笑，很棒有趣，因为：

“在 2K 中，你几乎没有刷牙的空间。”
-乔·德库尔

挑战和现有解决方案

由于硬件和软件的挑战，低端 8 针 ATtiny13A 与 nRF24L01 的组合并非易事。在我们对通用 8 引脚 MCU 的评论中，我们更详细地描述了这种结合所面临的硬件和软件挑战。回想一下，硬件挑战如下图所示：

ATtiny13A 实际上有 5 个引脚。如果我们将 PB5 从其主要功能（RESET/dWIRE）重新编程到 IO 端口，我们有 6 个引脚。但是，所有 6 引脚的使用都需要高压编程。这对于在线串行编程 (ICSP) 并不总是可行的。此外，我们没有任何备用引脚用于连接传感器或连接到现场总线。从审查的现有解决方案来看，所有硬件提案原则上都适用于 ATtiny13A ，但每个都有相关的“成本”：

• Ralph 的 2 和 3 引脚解决方案需要几个额外的无源元件。将 CE 永久拉高将无法充分利用 nRF24 模块的节能功能。因此，它不是超低功耗应用的理想解决方案。
• 不使用 IRQ 信号将释放 1 针（例如 PB5），可用于其主要功能（RST/dWIRE），但我们仍然无法连接其他设备。
• 共享 CE 引脚不是通用解决方案。CSN 低时不会干扰模块。但是，当用于控制 nRF24 时，它可能与任何连接的设备或现场总线不兼容。
• 单向 SPI 适用于与主网关具有单向（单工）通信的无线传感器网络 (WSN)。因此，这不是通用解决方案，而是适用于特定类型的 WSN。

不幸的是，并非所有经过审查的软件解决方案都具有足够低的内存占用和/或支持所有功能：

• 用于 Arduino 和 RPi 的 nRF 驱动程序具有针对ATtiny 子系列的优化分支。前叉仍然很大，甚至无法容纳内存是 t13a 两倍的 ATtiny2313A。
• Nerd Ralp将针对 ATtiny84 （8KiB 闪存，14 针）定制的 tinkerer.eu 库移植到他的 ATtiny85（8KiB 闪存）。目前尚不清楚总体占用空间是多少以及它是否适合 1KiB 闪存。此外，该库依赖于 t13a 系列中未提供的通用串行接口 (USI) 外围设备。这可以通过bit-banging来解决。
• 这个特定的共享 CE 引脚解决方案在 t13a 上运行，nRF24 的 SW 驱动程序是一个精简的Mirf 库，它只支持传输（尽管它需要具有 MOSI 和 MISO 信号的双向 SPI）。

总而言之：所有列出的硬件解决方案都只优化了一个参数——引脚数。它们都没有同时优化 1)能耗、2) 引脚数和3) 代码占用空间。这对于超低功耗应用至关重要。此外，还缺少一个合适的 SW 驱动程序来支持半双工无线通信，该驱动程序可以适合 t13a 以及支持一些引脚数优化解决方案。我们认为还有进一步提升的空间。出于这个原因，我们设计了一个全新的 SW 库，将在本文的其余部分进行描述。该库支持以下分别描述的三种硬件配置：

• 共享 CE 和 CSN 信号 - 它可以独立使用，也可以与其余两种配置组合使用。
• 3线SPI（合并MISO和MOSI），
• 可选单向 SPI（无 MISO）。

配置 1：共享 CE 和 CSN

CE 和 CSN 都是输入引脚，根据nRF24 产品规范：

• CSN 是片选，低电平有效。需要至少 50ns的脉冲（低-高-低）持续时间来指示 SPI 上新事务的开始（规范中的第 49 页，图 25 和参数 Tcwh，表 18-25）。如果我们保持 CSN 关闭但不提供时钟信号 (CSK)，则不会有数据流过，模块也不会收到任何命令。因此，nRF24 将保持其当前状态，内部寄存器不会受到影响。
• CE 用于在 RX 或 TX 模式下激活芯片，高电平有效。要将模块的无线电切换到 TX 或 RX 模式，需要至少 10us的脉冲（第 22 页的第 6.1.5 节和第 40 页的图 13）。

由此我们可以识别出共享 CE/CSN 信号的以下情况：

1) CE/CSN 为低电平，SCK 上无脉冲：默认情况，未启用无线电，nRF24 不受影响。

2) CE/CSN 为低电平，SCK 上的时钟信号：MCU 和 nRF 模块之间通过 SPI 传输数据。

3) CE/CSN 上的脉冲大于 50ns 且小于 10us ：复位 SPI 接口并指示新事务的开始。

4) CE/CSN 上的10us脉冲：如果模块之前处于StandBy-1模式（通过 SPI 接口设置配置寄存器中的 PWR_UP 位激活），则启用无线电模式（TX 或 RX）。

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

我们将使用条件 (1) CE/CSN 低作为信号的默认状态。我们是否要启用/禁用无线电（通常由 CE 控制）或通过 SPI 读/写寄存器（通常由 CSN 控制）的选择将使用不同的脉冲持续时间“编码”。

如果我们想在 SPI 上执行事务（访问控制/状态寄存器和 TX/RX 数据缓冲区），该过程将采取以下步骤：

• 1 -> 3 -> 2 -> 1 。

要启用收音机，让我们首先看看 TX 模式。在我们切换到 TX 模式之前，我们必须正确配置 nRF24 模块（上电，进入StandBy-1模式）并将数据上传到 TX 缓冲区。这是通过上述常规 SPI 事务和步骤完成的。之后，触发传输的过程将采取以下步骤：

• 1 -> 4 -> 1

模块将切换到 TX 模式，将执行所有操作（传输、等待确认、重传、超时），并且在所有 TX 缓冲区为空后将切换回StandBy-1模式，因为 CE 为低电平。如果我们一直保持 CE 为高电平，即使缓冲区为空，模块也会进入StandBy-2状态。不同之处在于功耗：22uA 与 320uA，即StandBy-2 的15 倍。这样的功耗等于完全激活状态下 1MHz 的 ATtiny13A。模块将停留在StandBy-1直到 MCU 将 nRF24 池化为状态并最终关闭无线电（PWR_UP=0 位），即切换到PowerDown仅消耗 990nA 的状态。CE 上的这个短脉冲节省了一些能量，这在超低功耗应用中确实很重要。

接收（RX模式）的情况略有不同，因为我们要等待比较长的一段时间才能接收到一些数据。在 CE/CSN 上执行 10us 的短脉冲是不够的。一种选择是将 CE/CSN 保持高电平一段所需的时间。在此期间，我们无法使用 SPI 访问 nRF24。这个问题可以通过在发送端设置足够多的重传、超时和消息确认属性来缓解。应配置 SPI 事务读取状态寄存器的持续时间短于整个传输会话（包括重新传输）。该程序将采取以下步骤：

• 1 -> 5 -> 1

此解决方案适用于主要用于传输的设备，但对于预期设备永久处于接收器模式的情况效果较差。对于这种情况，不合并 CE 和 CSN 可能更有效。相反，将 CE 拉至 Vcc（高电平）将使 ATtiny13A 无需关闭无线电即可汇集新消息。

配置 2：3 线 SPI

这个想法是通过一个电阻将 SPI 数据信号 MOSI 和 MISO 合并为一个，如下图所示：

这不是一个新想法，在各种设计中相对常见，以减少信号的数量。nRF24 模块会在这样的信号合并下正常工作吗？此图中显示了 SPI 与文档中的 nRF24 模块的通信：

我们看到nRF24使用MISO发送状态字节，而主控（MCU）向模块发送命令，即全双工通信。之后，MISO 线下降，仅在主 (MCU) 请求读取操作时使用。两个信号之间唯一可能的干扰是在开始时可能会破坏命令字节（在 MOSI 线上）。幸运的是，这种“冲突”是通过电阻解决的。其值应保证信号源/漏极不跨越 MCU 和模块的引脚特性。在我们的案例中，从 4.7k 到 10k 的值运行良好。

合并的 MISO/MOSI 节省了一个可用于直接控制 CE 的引脚。如果需要，可以将此配置与第一个配置混合使用 - 共享 CE/CSN，如下图所示：

配置 3：单向 SPI

这种配置降低了 MISO（主输入，从输出）线，使其成为 3 线 SPI，即减少了一个引脚数。我们可以将数据写入 nRF24 模块，但我们将无法读取它们：

它可能非常严格，但适用于某种类型的无线应用程序 - 设备专门用作数据源（测量），它不接收来自其他设备或网关（中央集线器）的数据。如果我们可以有一个 3 线 SPI 来节省相同数量的引脚，为什么我们还需要单向 SPI？有两个原因：

• 我们还希望最大限度地减少组件数量/成本和/或 PCB 尺寸和复杂性。
• 减少驱动程序的内存占用，从而为传感器驱动程序和应用程序逻辑留下一些宝贵的空间。ATtiny13A 只有 1KiB 的闪存。

我们可以将此配置与第一个配置（共享 CE/CSN）相结合，以进一步优化 MCU 所需的引脚数，如下图所示：

库配置

代码在 C ( nRF24L01.c) 和汇编程序 ( nRF24L01_asm.S) 中都实现。头文件nRF24L01.h包含重要的常量和 API 函数的声明。默认情况下，该库使用全 4 线 SPI 和独立的 CE 和 CSN 信号。通过在文件中定义相应的宏来配置库以使用上述硬件选项之一。projdefs.h

#define	NRF24L01_SHARED_CE_CSN    // For shared CE/CSN configuration

此宏可以与以下任一（或无）组合：

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

如果上述三个宏均未定义，则假定为默认配置。

定义连接到哪些端口 nRF24 信号也通过projdefs.h标头中的宏完成。引脚配置宏是：

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

为特定的引脚配置定义以下宏（如果适用 - 请参阅上面的功能）：

#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 个（或 6 个，如果是单向的）方法。必须调用的第一个函数是初始化：

void nrf24_init(void);

其余功能根据 SPI 事务的长度进行拆分。零字节命令通过以下方式调用：

void nrf24_cmd(uint8_t cmd);

参数是文档表 16 中的“命令字” ，例如：FLUSH_TX, FLUSH_RX, REUSE_TX_PL. 为方便起见，头文件包含所有命令代码的定义。

使用一个数据字节调用命令（通常写入寄存器）：

void nrf24_writeReg(uint8_t cmd, uint8_t value);

如果我们没有单向 SPI 配置，我们也可以读取寄存器：

uint8_t nrf24_readReg(uint8_t cmd);

参数 cmd 包含作为单个字节的复合寄存器地址：如果读取，则为 1 并且00wAAAAA是寄存器地址（第 9 章 - 寄存器映射）。wAAAAA

写入 TX 缓冲区和多字节寄存器：

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

如果我们不使用单向 SPI 配置，读取缓冲区的函数：

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

参数列表是不言自明的。最后一组 API 函数用于在一段时间内“切换”CE 信号：

void nrf24_pulseCE(void);

这将在 CE 上产生大约 15us 的脉冲。该功能用于在无线电通电且 TX 缓冲区充满数据后切换到 TX 模式。

为了使 CE 保持较高的持续时间（通常在使用共享 CE/CSN 配置时用于 RX 模式），应使用以下函数：

void nrf24_pulseCE_ms(uint16_t milliseconds);

如果我们不与 CSN 共享 CE（单独连接），则由应用程序逻辑来控制 CE 引脚。

例子

该库的存储库在main.c文件中包含一个工作示例，用于通过 nRF24L01 驱动程序发送和接收 32 位序列号。

带 ATtiny13A 的发射器

发射器结合了第一个（共享 CE/CSN）和第三个（单向）硬件配置。这占用了 MCU 上的 3 个引脚，剩下 2 个（如果没有 RST，则为 +1）用于其他设备/传感器/应用程序。在我们的例子中，我们将一个红色 LED 连接到 PB3：

应用程序每 2 秒递增一次，并向通道 120 上的管道 0 发送一个 32 位无符号整数。LED 亮起 800 毫秒以指示周期的开始。源代码展示了从对讲机上电、配置模块、将数据移入缓冲区、传输和对讲机电源的整个过程。

包括为 nRF24 设计的库在内的发射器应用程序的总体占用空间为372 字节（可用 1KiB）和 6 字节 SRAM（共 64 字节）。

带 ATtiny13A 的接收器

接收器应用程序不使用共享 CE/CSN，因为该模块仅在 RX 模式下工作并且不传输数据（确认数据包除外）。为了优化引脚数，我们应用了总共占用 3 个 MCU 引脚的 3 线 SPI：

应用软件每 100 毫秒汇集一次状态寄存器以获取新数据包。如果数据包到达，则将其读入 MCU，并清除状态。如果接收到的序列号与前一个序列号的增量相同，则绿色 LED 亮 1 秒。

包括为 nRF24 设计的库在内的接收器应用程序的总体占用空间为420字节（可用 1KiB）和 6 字节 SRAM（共 64 字节）。

运行演示应用程序

同时运行发射器和接收器：

如果接收器接收到预期的序列号，接收器的 LED（绿色）将亮起 1 秒。红色 (TX) 和绿色 (RX) LED 之间的最大延迟约为 100 毫秒，这是由 RX 侧的池化引起的。

概括

提议的 nRF24 库的主要目标和成就是：

• 最小化管脚数：它支持三种通用管脚优化硬件配置（与此共享 CE 不同），不需要或单个电阻器（与Nerd Ralph 的解决方案不同）。nRF24 模块在 MCU 上仅占用 3 个引脚而不是 6 个。这留下了其他 2 个引脚（如果 RST 用作 IO，则为 +1）用于连接传感器或现场总线。
• 最小化功耗：专为超低功耗应用而设计。通过极少指令的优化库实现节能。这减少了整体执行时间。与其他类似方法（共享 CE/CSN 与 CE 永久激活）相比，引脚数最小化的方式为 nRF24 模块提供更好的能量管理。
• 最小化库的占用空间：非常低的占用空间 - 演示应用程序有372 字节（发送器）和 420 字节（接收器），包括应用程序的逻辑。它可以轻松装入 ATtiny13A 并为其他应用程序和连接的设备和现场总线留出足够的空间。它可配置为半双工或单工无线电通信，以进一步最小化占用空间。与其他通用库不同，它还可以部署在 ATtiny 子系列中具有相同或更大内存的任何其他 MCU 上。SPI 接口实现为bit-banging，因此不依赖于通用串行接口 (USI)等外围设备。

然而，实现给定的目标需要付出一定的代价。API 提供的低粒度方法不如RF24 库或类似库中的高级方法方便。