探索 Adafruit Feather 32u4 Radio 與 RFM69HCW 模塊

在電子開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，Adafruit Feather 32u4 Radio 搭配 RFM69HCW 模塊的組合猶如一顆璀璨的新星，為無(wú)線(xiàn)通信項(xiàng)目帶來(lái)了新的可能性。今天，我們就來(lái)深入了解這個(gè)強(qiáng)大的硬件組合。

文件下載：3076.pdf

一、產(chǎn)品概述

Adafruit Feather 32u4 Radio 是 Adafruit 推出的一款創(chuàng)新開(kāi)發(fā)板，它就像一只輕盈的羽毛，小巧輕便，卻能讓你的項(xiàng)目“展翅高飛”。這款開(kāi)發(fā)板以 ATmega32u4 為核心，時(shí)鐘頻率為 8 MHz，采用 3.3V 邏輯。它具有 32K 的閃存和 2K 的 RAM，內(nèi)置 USB 接口，不僅具備 USB 轉(zhuǎn)串口的編程和調(diào)試能力，還能模擬鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、USB MIDI 設(shè)備等。

為了滿(mǎn)足便攜式項(xiàng)目的需求，它添加了 3.7V 鋰聚合物電池連接器和內(nèi)置電池充電功能。你既可以直接通過(guò) micro USB 接口供電，也可以使用電池供電，并且當(dāng) USB 供電可用時(shí)，開(kāi)發(fā)板會(huì)自動(dòng)切換到 USB 供電。此外，它還通過(guò)分壓電路將電池連接到模擬引腳，方便你監(jiān)測(cè)電池電壓。

該開(kāi)發(fā)板還利用剩余空間集成了 RFM69HCW 433 或 868/915 MHz 無(wú)線(xiàn)電模塊，適用于小數(shù)據(jù)包傳輸，在需要比 2.4 GHz 更遠(yuǎn)傳輸距離的場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

產(chǎn)品規(guī)格

• 尺寸：未焊接引腳時(shí)為 2.0" x 0.9" x 0.28"（51mm x 23mm x 8mm）
• 重量：僅 5.5 克
• 處理器：ATmega32u4 @ 8MHz，3.3V 邏輯/電源
• 電源管理：3.3V 穩(wěn)壓器，峰值電流輸出 500mA
• 通信接口：USB 原生支持，具備 USB 引導(dǎo)加載程序和串口調(diào)試功能；支持硬件串口、硬件 I2C、硬件 SPI
• 引腳資源：20 個(gè) GPIO 引腳，7 個(gè) PWM 引腳，10 個(gè)模擬輸入
• 電池充電：內(nèi)置 100mA 鋰聚合物充電器，帶有充電狀態(tài)指示燈
• 其他特性：13 號(hào)引腳紅色 LED 用于通用閃爍；電源/使能引腳；4 個(gè)安裝孔；復(fù)位按鈕

二、引腳布局

Feather 32u4 Radio 的引腳布局豐富多樣，下面為你詳細(xì)介紹：

電源引腳

• GND：所有電源和邏輯的公共接地端。
• BAT：連接可選鋰聚合物電池的 JST 接口的正電壓端。
• USB：連接 micro USB 接口時(shí)的正電壓端。
• EN：3.3V 穩(wěn)壓器的使能引腳，上拉，接地可禁用 3.3V 穩(wěn)壓器。
• 3V：3.3V 穩(wěn)壓器的輸出端，可提供 500mA 峰值電流。

邏輯引腳

邏輯引腳均為 3.3V 邏輯，涵蓋了通用 I/O 引腳、串口通信引腳、I2C 引腳、SPI 引腳等，為各種應(yīng)用提供了豐富的接口。例如，0 號(hào)引腳（RX）既是 GPIO 引腳，也是 Serial1 的接收引腳和中斷 2；2 號(hào)引腳（SDA）是 I2C 數(shù)據(jù)引腳等。

RFM/SemTech 無(wú)線(xiàn)電模塊引腳

• 8 號(hào)引腳：用作無(wú)線(xiàn)電芯片選擇（CS）引腳。
• 7 號(hào)引腳：用作無(wú)線(xiàn)電 GPIO0 / IRQ（中斷請(qǐng)求）引腳。
• 4 號(hào)引腳：用作無(wú)線(xiàn)電復(fù)位引腳。

其他引腳

• RST：復(fù)位引腳，接地可手動(dòng)復(fù)位 AVR 并啟動(dòng)引導(dǎo)加載程序。
• ARef：模擬參考引腳，可連接外部模擬參考電壓，但不能超過(guò) 3.3V。

三、組裝指南

Feather 開(kāi)發(fā)板出廠時(shí)未焊接引腳，為你提供了多種組裝選擇：

焊接普通引腳

• 準(zhǔn)備引腳條：根據(jù)需要裁剪引腳條，將其插入面包板，長(zhǎng)引腳朝下，便于焊接。
• 安裝 breakout 板：將 breakout 板放在引腳上，使短引腳穿過(guò)焊盤(pán)。
• 焊接：確保焊接所有引腳，以實(shí)現(xiàn)可靠的電氣連接。

焊接母引腳

• 固定引腳：使用膠帶將母引腳固定在開(kāi)發(fā)板上，防止翻轉(zhuǎn)時(shí)掉落。
• 定位焊接：翻轉(zhuǎn)開(kāi)發(fā)板，先焊接每個(gè)引腳條的一兩個(gè)點(diǎn)，將引腳固定。
• 完成焊接：焊接所有引腳，確保電氣連接可靠。

四、天線(xiàn)選擇

Feather Radio 沒(méi)有內(nèi)置天線(xiàn)，你可以選擇以下兩種天線(xiàn)：

電線(xiàn)天線(xiàn)

這是一種低成本且效果良好的天線(xiàn)，也稱(chēng)為“四分之一波長(zhǎng)鞭狀天線(xiàn)”。你只需將電線(xiàn)裁剪到合適的長(zhǎng)度：433 MHz 對(duì)應(yīng) 6.5 英寸（16.5 cm），868 MHz 對(duì)應(yīng) 3.25 英寸（8.2 cm），915 MHz 對(duì)應(yīng) 3 英寸（7.8 cm）。然后剝?nèi)ル娋€(xiàn)末端 1 - 2 毫米，鍍錫并焊接到 Feather 最右側(cè)的 ANT 焊盤(pán)上。

uFL 天線(xiàn)

如果你需要使用外部天線(xiàn)，可以選擇 uFL 天線(xiàn)。對(duì)于沒(méi)有預(yù)裝表面貼裝 uFL 連接器的 Feather 開(kāi)發(fā)板，你需要自行購(gòu)買(mǎi)并焊接。同時(shí)，還需要一個(gè) uFL 轉(zhuǎn) SMA 適配器和匹配頻率的天線(xiàn)。在連接和斷開(kāi) uFL 連接器時(shí)要小心，避免損壞 PCB 焊盤(pán)。

五、電源管理

電池與 USB 供電

Feather 開(kāi)發(fā)板支持兩種供電方式：通過(guò) USB 電纜連接計(jì)算機(jī)，開(kāi)發(fā)板會(huì)將 5V USB 電壓調(diào)節(jié)為 3.3V；也可以連接 4.2/3.7V 鋰聚合物或鋰離子電池到 JST 接口，實(shí)現(xiàn)可充電電池供電。當(dāng) USB 供電時(shí)，開(kāi)發(fā)板會(huì)自動(dòng)切換到 USB 供電并為電池充電。

電源供應(yīng)選項(xiàng)

除了電池和 USB 供電，你還可以根據(jù)需求選擇其他電源供應(yīng)方式：

• 永久安裝：使用 5V 1A USB 墻式適配器，通過(guò) USB 電纜提供可靠電源。
• 移動(dòng)使用：使用 USB 電池組。
• 高電壓電源：使用 5V 降壓轉(zhuǎn)換器，并連接到 USB 電纜的 5V 和 GND 輸入。

電池電壓測(cè)量

為了方便監(jiān)測(cè)電池電壓，開(kāi)發(fā)板在 BAT 引腳連接了一個(gè)雙 100K 電阻分壓器，并連接到 D9（模擬引腳 A7）。你可以通過(guò)讀取該引腳的電壓并乘以 2 來(lái)獲取電池電壓。

使能引腳

如果你想關(guān)閉 3.3V 穩(wěn)壓器，可以將 EN 引腳接地，此時(shí) BAT 和 USB 引腳仍會(huì)供電。

六、Arduino IDE 設(shè)置

下載與配置

首先，你需要下載最新版本的 Arduino IDE（版本 1.8 或更高）。打開(kāi) IDE 并導(dǎo)航到偏好設(shè)置菜單，在“附加開(kāi)發(fā)板管理器網(wǎng)址”中添加 package_adafruit_index.json https://adafruit.github.io/arduino-board-index/。這樣，Board Manager 就能自動(dòng)獲取 Adafruit 開(kāi)發(fā)板的更新信息。

安裝驅(qū)動(dòng)（僅適用于 Windows 7）

在 Windows 7 系統(tǒng)中，插入 Feather 開(kāi)發(fā)板后，可能需要安裝驅(qū)動(dòng)。你可以下載 Adafruit 驅(qū)動(dòng)安裝程序并運(yùn)行，選擇要安裝的驅(qū)動(dòng)。

上傳示例代碼

插入 Feather 32u4 開(kāi)發(fā)板，等待系統(tǒng)識(shí)別。選擇正確的串口，加載 Blink 示例代碼并上傳，你將看到 LED 閃爍。

手動(dòng)引導(dǎo)加載

如果遇到引導(dǎo)加載問(wèn)題或上傳的代碼導(dǎo)致開(kāi)發(fā)板崩潰，無(wú)法自動(dòng)重啟進(jìn)入引導(dǎo)加載程序，你可以雙擊 RST 按鈕，當(dāng) Arduino IDE 嘗試上傳代碼時(shí)，紅色 LED 會(huì)閃爍，表示進(jìn)入引導(dǎo)加載模式。

Ubuntu 與 Linux 問(wèn)題解決

在 Linux 系統(tǒng)中，如果連接串口控制臺(tái)出現(xiàn)延遲或顯示亂碼，可以按照相關(guān)頁(yè)面的步驟進(jìn)行解決。

七、使用 RFM69 無(wú)線(xiàn)電

模式選擇

RFM69 無(wú)線(xiàn)電模塊有“原始”和“數(shù)據(jù)包化”兩種模式。在大多數(shù)情況下，建議使用數(shù)據(jù)包化模式，它提供了錯(cuò)誤糾正、自動(dòng)重傳和返回回執(zhí)等功能，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

Arduino 庫(kù)

推薦使用 RadioHead 庫(kù)，它具有良好的跨平臺(tái)兼容性，在社區(qū)中廣泛使用。你可以從 Adafruit 的 GitHub 倉(cāng)庫(kù)下載該庫(kù)，并將其放置在 Arduino 庫(kù)文件夾中。

基本收發(fā)示例

發(fā)送端代碼

打開(kāi) RadioHead->feather->RadioHead69_RawDemo_TX 示例代碼，根據(jù)實(shí)際情況修改 #define RF69_FREQ 以匹配無(wú)線(xiàn)電硬件的頻率。上傳代碼后，開(kāi)發(fā)板將每秒發(fā)送一個(gè)小數(shù)據(jù)包。

接收端代碼

打開(kāi) RadioHead->feather->RadioHead69_RawDemo_RX 示例代碼，同樣修改頻率設(shè)置。上傳代碼后，接收端將接收并回復(fù)數(shù)據(jù)包。

無(wú)線(xiàn)電頻率配置

每個(gè)無(wú)線(xiàn)電模塊的頻率可以在軟件中配置，但建議在推薦頻率范圍內(nèi)調(diào)整，以獲得最佳性能。確保所有無(wú)線(xiàn)電模塊使用相同的頻率。

引腳配置

在代碼中設(shè)置無(wú)線(xiàn)電模塊的引腳，包括 CS、IRQ 和 RST 引腳。不同的開(kāi)發(fā)板可能需要不同的引腳配置，例如 Feather 32u4、Feather M0 和 Feather RP2040 的引腳配置有所不同。

初始化與設(shè)置

在 setup() 函數(shù)中，初始化串口和 RFM69 無(wú)線(xiàn)電模塊，設(shè)置頻率、發(fā)射功率和加密密鑰等參數(shù)。

基本收發(fā)代碼

發(fā)送端代碼會(huì)等待 1 秒后發(fā)送數(shù)據(jù)包，并等待接收端的回復(fù)；接收端代碼會(huì)不斷檢查是否有數(shù)據(jù)包接收，如果接收到包含“Hello World”的數(shù)據(jù)包，會(huì)發(fā)送回復(fù)。

帶 OLED 的收發(fā)演示

你可以嘗試 RadioHead69_RawDemoTXRX_OLED 示例代碼，通過(guò)連接 OLED 翼板或按鈕，實(shí)現(xiàn)雙向通信測(cè)試。

帶地址的收發(fā)演示

使用 RadioHead69_AddrDemo_RX 和 RadioHead69_AddrDemo_TX 示例代碼，你可以設(shè)置多個(gè)客戶(hù)端和一個(gè)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò) RHReliableDatagram 類(lèi)管理消息的發(fā)送和接收，確保數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。

八、無(wú)線(xiàn)電模塊常見(jiàn)問(wèn)題解答

范圍比較

在其他條件相同的情況下，LoRa 模塊的傳輸范圍通常比 RFM69 模塊更好，一般能提高 50% - 100%。

預(yù)期范圍

RFM69 無(wú)線(xiàn)電模塊在視線(xiàn)良好的情況下，使用調(diào)諧單向天線(xiàn)的傳輸范圍約為 500 米；RFM9X LoRa 無(wú)線(xiàn)電模塊的傳輸范圍可達(dá) 2 公里。但實(shí)際范圍會(huì)受到障礙物、頻率、天線(xiàn)和功率輸出等因素的影響。

范圍不足問(wèn)題

如果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的傳輸范圍，可能是由于天線(xiàn)未調(diào)諧、頻率不匹配、設(shè)置不一致、天線(xiàn)方向性不佳、電源供應(yīng)不穩(wěn)定、功率設(shè)置未最大化、存在障礙物或傳輸速度過(guò)快等原因。你可以逐一檢查并解決這些問(wèn)題。

天線(xiàn)選擇與設(shè)計(jì)

不同的天線(xiàn)成本和方向性增益不同。對(duì)于大多數(shù)簡(jiǎn)單應(yīng)用，電線(xiàn)天線(xiàn)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。如果你想深入了解天線(xiàn)設(shè)計(jì)，可以參考 ARRL 天線(xiàn)書(shū)籍，但實(shí)際測(cè)試是獲得最佳效果的關(guān)鍵。

頻率識(shí)別

通過(guò)查看模塊上的彩色油漆點(diǎn)可以識(shí)別頻率：綠色、藍(lán)色或無(wú)點(diǎn)表示 900 MHz，紅色表示 433 MHz。

模塊外觀問(wèn)題

如果無(wú)線(xiàn)電模塊上有燒焦的斑點(diǎn)，不用擔(dān)心，這可能是制造過(guò)程中的墨水點(diǎn)受熱導(dǎo)致的，芯片本身沒(méi)有損壞。

MAC 地址用途

Adafruit 的 LoRa 設(shè)備附帶的 MAC 地址在使用 LoRaWAN 時(shí)需要，例如 The Things Network。對(duì)于非 LoRaWAN 應(yīng)用，MAC 地址不是必需的。

九、下載資源

你可以從以下鏈接下載相關(guān)的數(shù)據(jù)表和文件：

• FCC 測(cè)試報(bào)告
• RoHS 測(cè)試報(bào)告
• REACH 測(cè)試報(bào)告
• RFM69HCW 數(shù)據(jù)表
• SX1231 收發(fā)器數(shù)據(jù)表
• EagleCAD PCB 文件
• Fritzing 對(duì)象
• Feather 32u4 RFM69 和 RFM9x LoRa 板圖的 PDF 和 SVG 文件

Adafruit Feather 32u4 Radio 與 RFM69HCW 模塊為電子工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的無(wú)線(xiàn)通信解決方案。通過(guò)深入了解其特性、引腳布局、組裝方法、電源管理、Arduino IDE 設(shè)置和無(wú)線(xiàn)電使用方法，你可以充分發(fā)揮其潛力，實(shí)現(xiàn)各種創(chuàng)新的無(wú)線(xiàn)項(xiàng)目。你在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些有趣的問(wèn)題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)！