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📡 STM32RF24

📜 Índice

🎉 Introdução

Esse repositório contém uma biblioteca para lidar com o módulo de radiofrequência nRF24L01 da Nordic Semiconductor, cujo datasheet pode ser visto aqui, ao se utilizar os microcontroladores da família STM32.

Essa biblioteca foi feita para ser utilizada como submódulo no STM32ProjectTemplate.

➕ Requisitos

Essa biblioteca não requer, para funcionar, nenhum requisito extra, além dos já listados requisitos do STM32ProjectTemplate.

Porém, caso se deseje gerar a documentação, como descrito na seção 📝 Documentação, é necessário instalar o Doxygen. No Ubuntu é possível instalá-lo com o seguinte comando:

sudo apt install doxygen

Para outros sistemas operacionais é possível ver opções de download na página oficial do Doxygen.

Além disso, para formatação é utilizado o uncrustify, como descrito na seção 🎨 Formatação. Para instalá-lo, no Ubuntu, rode o seguinte comando no terminal:

sudo apt install uncrustify

No Windows, baixe o .zip no SourceForge. Adicione o local do executável na variável de ambiente PATH.

📦 Submódulos com Git

Como dito, essa biblioteca funciona como um submódulo. Dessa forma se facilita escolher a versão da biblioteca que será utilizada no projeto, permitindo também o desenvolvimento em paralelo dela.

💥 Adicionando um submódulo

Crie um diretório chamado lib, caso não exista:

mkdir lib

E adicione o submódulo fazendo:

  • Com HTTPS:
git submodule add --name STM32RF24 https://github.com/ThundeRatz/STM32RF24.git lib/STM32RF24
  • Com SSH:
git submodule add --name STM32RF24 [email protected]:ThundeRatz/STM32RF24.git lib/STM32RF24

✅ Inicializando um submódulo já existente

Ao clonar um repositório que já tenha submódulos, é necessário clonar os repositórios desse submódulo. Isso pode ser feito de duas formas, clonando junto com o repositório do projeto ou depois de já ter clonado.

Exemplo:

Para se clonar junto, rode o seguinte comando, trocando para o link do repositório do seu projeto:

git clone --recurse-submodules [email protected]:ThundeRatz/STM32ProjectTemplate.git

Para se clonar depois de já ter clonado o repositório do projeto, dentro dele, deve-se fazer:

git submodule update --init

📁 Estrutura do Repositório

O repositório contém as seguintes pastas:

  • assets/ → Imagens e arquivos .css para documentação
  • docs/ → Arquivos de documentação
  • inc/ → Arquivos de cabeçalho
  • src/ → Arquivos de código fonte

Na raiz do repositório, além dos arquivos que contém o código de conduta, diretrizes de contribuição, README e licença, há o arquivo sources.mk, que é responsável por possibilitar com que os arquivos da biblioteca sejam encontrados quando se compila o código. Também há um Doxyfile para gerar a documentação. Outro arquivo relevante é o uncrustify.cfg que é utilizado para formatar os arquivos.

📝 Documentação

Essa biblioteca é documentada usando Doxygen. Para gera a documentação, rode o seguinte comando estando na raiz do seu repositório:

doxygen

As configurações estão no arquivo Doxyfile.

🎨 Formatação

Além de uma boa documentação, é necessário que o código sempre esteja bem formatado, o que facilita sua compreensão. Para isso foi utilizado o uncrustify. Com o uncrustify instalado, para formatar um arquivo que tenha mudado, rode o seguinte comando:

uncrustify -c uncrustify.cfg --replace --no-backup caminho_até_o_arquivo/nome_do_arquivo

🏗️ Estrutura do Código

O código está estruturado da seguinte forma:

  • nrf24l01_registers.h → tipos e constantes relacionados aos registradores do módulo.
  • rf24_platform.c/.h → tipos e funções de mais baixo nível que utilizam o HAL.
  • rf24.c/.h → tipos e funções de mais alto nível para utilização do usuário.
  • rf24_debug.c/.h → funções úteis para se validar o funcionamento do módulo.

🔌 Configuração de Hardware

🤔 Conhecendo o módulo

Para se fazer a configuração do seu hardware, é necessário primeiramente se analisar a pinagem do módulo nRF24L01, como pode ser vista abaixo:

Pinagem do nRF24L01

O módulo utiliza SPI (Serial Protocol Interface) para se comunicar com o microcontrolador (para saber mais sobre SPI, recomendo esse artigo aqui da Sparkfun), dessa forma são necessários quatro pinos para essa comunicação, o SCK, o MISO, o MOSI e o CSN. O CSN é um pino de GPIO, enquanto os outros são pinos dedicados.

Além disso, é necessário um pino de GPIO conectado ao CE (Chip Enable), que é utilizado para se fazer o controle do módulo, possibilitando a transição entre os estados da máquina de estados do módulo.

O módulo também conta com um pino IRQ (Interruption Request), possibilitando o funcionamento do módulo por meio de interrupções, esse pino deve ser conectado em um pino que suporte interrupções no microcontrolador caso se queira fazer uso desse recurso, caso contrário, deve-se ligá-lo ao 3,3V, uma vez que o pino é ativo baixo.

🔧 Configurando o microcontrolador

Para fazer a configuração do microcontrolador será utilizado o STM32CubeMX, um dos requisitos do STM32ProjectTemplate. Além disso, será necessário já se ter um projeto configurado no Cube, caso não tenha veja o README do STM32ProjectTemplate e para mais detalhes veja o STM32Guide.

Com o projeto aberto, vá em Connectivity e depois selecione um SPI disponível, como pode ser visto na imagem abaixo:

Configurando o SPI - 1

Ao fazer isso, se abrirá uma aba, onde se pode selecionar o modo do SPI, então selecione o modo Full-Duplex Master:

Configurando o SPI - 2

Com isso, como pode ser visto abaixo em "1", alguns pinos serão definidos automaticamente em algumas posições, porém é possível movê-los para outras caso estejam disponíveis. Para ver outras posições disponíveis, segure o botão Ctrl e clique no pino que deseja mover, caso haja um outro pino que suporte a função do pino que deseja mover, a cor do alternativo irá se alterar.

Além disso, aparecerá um tela de configuração, na qual será necessário fazer algumas alterações. Como pode ser visto na página 45, item 8.1 do datasheet, o módulo trabalha com uma interface serial SPI de 4 cabos de 0Mbps a 8Mbps e comandos de 8 bits. Portanto, como pode ser visto abaixo em "2", deve-se definir o Data Size como 8 bits e em "3" deve-se definir um valor de Prescaler de forma a se obter um Baud Rate de até 8Mbps.

Configurando o SPI - 3

Depois disso será necessário configurar o pino CSN, para isso, clique no pino que deseja utilizar para essa função e depois selecione a opção GPIO_Output, como pode ser visto na imagem abaixo (para esse tutorial o CSN ficará no pino PC6). Deve-se fazer o mesmo para o pino CE, uma vez que ele também é um GPIO_Output (para esse tutorial o CSN ficará no pino PC8).

Configurando o CE

Por fim, para configurar o pino IRQ, clique no pino que deseja utilizar e selecione a opção GPIO_EXTIx, onde x depende do número do pino escolhido. Abaixo foi utilizado o pino PC7 como exemplo, tendo-se assim que escolher o GPIO_EXTI7:

Configurando o IRQ - 1

Como o pino IRQ é ativo baixo, é necessário configurá-lo assim. Para isso, como pode ser visto abaixo, vá em System Core > GPIO, então na aba de configuração de GPIO selecione seu pino IRQ, com isso aparecerá uma lista de configurações do pino, na qual, em GPIO Mode deve se escolher o modo External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection.

Configurando o IRQ - 2

Com todas as configurações feitas, salve o projeto e feche-o. Para gerar as arquivos do Cube, siga as instruções no README do STM32ProjectTemplate.

📚 Usando a biblioteca

A biblioteca possui diferentes funções para configurar parâmetros do módulo, receber e transmitir de formas diferentes. Nessa seção se mostrará uma forma básica de se inicializar o módulo, utilizá-lo como receptor ou como transmissor.

A comunicação entre dois módulos pode acontecer com acknowledgment (ACK) ou sem. Utilizar ACK ajuda a evitar a perda de pacotes enviados. Ao se habilitar o ACK, o seu receptor, ao receber um pacote válido, enviará para o transmissor um pacote de ACK, caso contrário não enviará nada. Por sua vez, o transmissor, após enviar um pacote, ficará esperando receber um pacote de ACK por um determinado tempo, caso o tempo se esgote sem receber o ACK, ele enviará novamente o pacote que tinha enviado. Vários diagramas de transação diferentes podem ser vistos a partir da página 40, item 7.9 do datasheet. Nesse tutorial se mostrará como fazer a comunicação dos módulos com ACK, também se considerará que só há um transmissor e um receptor, porém é possível haver mais módulos.

Além do que será mostrado nas subseções abaixo, para o funcionamento da biblioteca é necessário, em um dos seus arquivos .c que inclui o arquivo rf24.h, definir a seguinte função:

/**
 * @brief Library delay function.
 *
 * @note This function must be implemented by the user.
 *
 * @param ms Delay in milliseconds.
 *
 * @return @ref rf24_status.
 */
rf24_status_t rf24_delay(uint32_t ms);

Ela é uma função de delay utilizada dentro da biblioteca que recebe um tempo em milissegundos. Ela pode ser definida de formas distintas, porém, em geral, é possível defini-la simplesmente com a função HAL_Delay(uint32_t Delay) (é necessário incluir o arquivo main.h gerado pelo Cube para isso):

rf24_status_t rf24_delay(uint32_t ms) {
    HAL_Delay(ms);

    return RF24_SUCCESS;
}

🏁 Inicializando

Antes de se inicializar o módulo em si, é necessário se inicializar o SPI que foi configurado no Cube. O nome da função depende de qual SPI se escolheu, para o escolhido na seção de 🔌 Configuração de Hardware acima, seria a seguinte função:

MX_SPI2_Init(); /* No Cube foi escolhido o SPI2 */

Para utilizar a função acima precisa-se incluir o arquivo spi.h gerado pelo Cube. Além disso, é recomendado se colocar um delay de algo em torno de 100 ms após a inicialização do SPI.

Depois, é necessário se definir no código quais foram os pinos e a instância do SPI escolhidos, além de outras configurações. Para isso irá se considerar os pinos escolhidos na seção de 🔌 Configuração de Hardware e também que se mandará uma mensagem de 15 bytes, ou seja payload size de 15.

Primeiramente se precisa criar uma instância de módulo e um ponteiro para ele:

rf24_dev_t device; /* Instanciação de um módulo */
rf24_dev_t* p_dev = &device; /* Ponteiro para a instância do módulo */

Então para se configurar o módulo pode-se fazer da seguinte forma:

/* Device config */

/* Obtém-se uma configuração padrão */
rf24_get_default_config(p_dev);

/* No Cube foi escolhido o SPI2 */
p_dev->platform_setup.hspi = &hspi2;

/* CSN no pino PC6 */
p_dev->platform_setup.csn_port = GPIOC;
p_dev->platform_setup.csn_pin = GPIO_PIN_6;

/* IRQ no pino PC7 */
p_dev->platform_setup.irq_port = GPIOC;
p_dev->platform_setup.irq_pin = GPIO_PIN_7;

/* CE no pino PC8 */
p_dev->platform_setup.ce_port = GPIOC;
p_dev->platform_setup.ce_pin = GPIO_PIN_8;

p_dev->payload_size = 15;

Por fim, é possível se inicializar o módulo, passando o ponteiro da instância do módulo para a seguinte função:

rf24_init(p_dev);

Essa função irá retornar RF24_SUCCESS caso a inicialização seja bem sucedida e valores de erro caso contrário. Para mais detalhes sobre os possíveis valores de erro, veja a documentação do código.

📤 Utilizando como transmissor

Para se utilizar um módulo como transmissor é necessário saber o endereço do receptor para o qual se enviará a mensagem, essa informação precisa ser compartilhada entre os dois, caso contrário não é possível fazer a comunicação. Além disso, como aqui será mostrado como se comunicar com ACK, o transmissor se comportará por um período como receptor esperando o pacote de ACK, dessa forma também é necessário que ele tenha um endereço de receptor, esse endereço também precisa ser uma informação que os dois módulos têm.

Para tanto o exemplo de transmissor quanto o de receptor será usado o vetor de endereços abaixo, onde o primeiro é o endereço para o transmissor receber o pacote de ACK e o segundo o endereço do receptor, para onde o transmissor irá enviar. Os tamanhos dos endereços são configuráveis, porém se utilizará endereços de 5 bytes.

uint8_t addresses[2][5] = {{0xE7, 0xE7, 0xE7, 0xE7, 0xE8}, {0xC2, 0xC2, 0xC2, 0xC2, 0xC1}};

Para a parte de configuração do transmissor também é interessante se escolher uma potência de saída do módulo com a seguinte função:

/**
 * @brief Set device output power.
 *
 * @param p_dev         Pointer to rf24 device.
 * @param output_power  Selected output power.
 *
 * @return @ref rf24_status.
 */
rf24_status_t rf24_set_output_power(rf24_dev_t* p_dev, rf24_output_power_t output_power);

Agora, para se receber e enviar de acordo com os endereços certos, é necessário se abrir um pipe de escrita para o endereço addresses[1] e um de leitura para o addresses[0], o que pode ser feito da seguinte forma:

rf24_status_t device_status; /* Variável para receber os status retornados pelas funções */

device_status = rf24_open_writing_pipe(p_dev, addresses[1]);
device_status = rf24_open_reading_pipe(p_dev, 1, addresses[0]);

Com isso feito, já é possível se enviar mensagens! Digamos que se deseje enviar a seguinte mensagem armazenada em um vetor:

uint8_t buffer[] = {'V', 'i', 'r', 't', 'u', 'a', 'l', ' ', 'h', 'u', 'g', 's', '!', '\r', '\n'};

Para mandá-la com ACK, pode-se fazer da seguinte forma:

device_status = rf24_write(p_dev, buffer, 15, true);

Essa função retornará RF24_SUCCESS caso o transmissor tenha conseguido enviar a mensagem e, como a comunicação é feita com ACK, caso o receptor tenha recebido a mensagem.

📩 Utilizando como receptor

Assim como foi falado na subseção do transmissor, o endereço para o qual o transmissor enviará os dados precisa ser o mesmo que está registrado no código do receptor, assim como o endereço para o qual o receptor enviará o pacote de ACK precisa ser o mesmo que está no transmissor, por isso, serão usados os mesmos endereços do tutorial do transmissor:

uint8_t addresses[2][5] = {{0xE7, 0xE7, 0xE7, 0xE7, 0xE8}, {0xC2, 0xC2, 0xC2, 0xC2, 0xC1}};

No caso do receptor, para se receber e enviar de acordo com os endereços certos, é necessário se abrir um pipe de escrita para o endereço addresses[0] e um de leitura para o addresses[1], como é feito abaixo:

rf24_status_t device_status; /* Variável para receber os status retornados pelas funções */

device_status = rf24_open_writing_pipe(p_dev, addresses[0]);
device_status = rf24_open_reading_pipe(p_dev, 1, addresses[1]);

Além disso, para que o receptor possa começar a receber pacotes, é necessário chamar a seguinte função:

device_status = rf24_start_listening(p_dev);

Com isso, já é possível receber pacotes! É possível verificar se há um pacote novo com a seguinte função:

/**
 * @brief Checks if a new payload has arrived.
 *
 * @param p_dev         Pointer to rf24 device.
 * @param pipe_number   Pipe where the available data is.
 *
 * @note To don't ready a pipe, pass NULL as pipe_number argument.
 *
 * @return @ref rf24_status.
 */
rf24_status_t rf24_available(rf24_dev_t* p_dev, uint8_t* pipe_number);

E é possível ler pacotes com a seguinte função:

/**
 * @brief Reads the payload avaible in the receiver FIFO.
 *
 * @note Interruption flags related to the receiver are cleared.
 *
 * @param p_dev Pointer to rf24 device.
 * @param buff Pointer to a buffer where the data should be written
 * @param len Maximum number of bytes to read into the buffer
 *
 * @return @ref rf24_status.
 */
rf24_status_t rf24_read(rf24_dev_t* p_dev, uint8_t* buff, uint8_t len);

Portanto, para se verificar se há pacotes na fila e ler o último pacote, pode-se fazer da seguinte forma:

rf24_status_t device_status;
rf24_status_t read_status;

uint8_t buffer[15] = {0};

if ((device_status = rf24_available(p_dev, NULL)) == RF24_SUCCESS) {
    while ((device_status = rf24_available(p_dev, NULL)) == RF24_SUCCESS) {
        read_status = rf24_read(p_dev, buffer, p_dev->payload_size);
    }

    /* Faça alguma coisa com o pacote lido */
}

🐛 Depuração

Para depurar o seu código é possível utilizar as funções do rf24_debug.c/.h, porém, para isso, também é necessário definir uma função printf. Para facilitar o uso, recomendo adicionar a biblioteca SEGGER_RTT ao projeto. Após adicioná-la, tendo chamado as funções de depuração em seu código, para ver o que está sendo "impresso" pelas funções, rode no terminal, estando na raiz de seu projeto:

make rtt

👥 Contribuindo

Toda a ajuda no desenvolvimento da robótica é bem-vinda, nós lhe encorajamos a contribuir para o projeto! Para saber como fazer, veja as diretrizes de contribuição aqui.

✨ Contribuidores

Agradecimento a essas pessoas maravilhosas (emoji key):


Lucas Haug
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Lucas Schneider
💻 📖 ⚠️ 🌍 👀
Daniel Nery
💻 👀
Felipe Gomes de Melo
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Bernardo Coutinho
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Esse projeto segue as especificações do all-contributors. Contribuições de qualquer tipo são bem-vindas!