Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module：打造靈活無線通信解決方案

在電子設計領(lǐng)域，無線通信模塊的選擇對于項目的成功至關(guān)重要。Adafruit Feather M0 Radio with LoRa Radio Module 以其獨特的特性和豐富的功能，為工程師們提供了一個強大而靈活的無線通信解決方案。本文將深入介紹這款模塊的各個方面，包括其概述、引腳布局、組裝、電源管理、Arduino IDE 配置、代碼適配以及無線電使用等內(nèi)容。

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一、模塊概述

Adafruit Feather M0 RFM95 LoRa Radio 是一款集成了長距離（LoRa）數(shù)據(jù)包無線電收發(fā)器的微控制器，內(nèi)置 USB 和電池充電功能。其核心采用 ATSAMD21G18 ARM Cortex M0 處理器，時鐘頻率為 48 MHz，邏輯電壓為 3.3V，擁有 256K 的 FLASH 和 32K 的 RAM。該模塊尺寸小巧，僅 2.0" x 0.9" x 0.3"（51mm x 23mm x 8mm），重量僅 5.8 克，非常適合便攜式項目。

此外，它還具備豐富的接口和功能，如 20 個 GPIO 引腳、硬件串口、硬件 I2C 和 SPI 支持、8 個 PWM 引腳、10 個模擬輸入和 1 個模擬輸出等。同時，模塊還內(nèi)置了 100mA 鋰聚合物充電器和充電狀態(tài)指示燈 LED，方便用戶使用和監(jiān)測電池狀態(tài)。

這款 LoRa 無線電模塊使用 RFM9x LoRa 868/915 MHz 無線電模塊，適用于小數(shù)據(jù)包傳輸，在需要比 2.4 GHz 更遠傳輸距離的場景中表現(xiàn)出色。其功率輸出范圍為 +5 至 +20 dBm，最高可達 100 mW，睡眠模式下功耗約為 300uA，+20dBm 發(fā)射時峰值電流約為 120mA，主動監(jiān)聽時約為 40mA。在默認庫設置下，使用線四分之一波天線，視距傳輸距離可達 1.2 英里/2 公里，通過調(diào)整設置和使用定向天線，傳輸距離可達 20 公里。

二、引腳布局

（一）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 插孔的正電壓。
• USB：連接微 USB 插孔時的正電壓。
• 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，可提供 500mA 峰值電流。

（二）邏輯引腳

邏輯引腳為微控制器的通用 I/O 引腳集，邏輯電壓均為 3.3V，幾乎所有引腳都可進行 PWM 輸出，且都可作為中斷輸入。常見引腳功能如下：

• #0 / RX：GPIO #0，也是 Serial1（硬件 UART）的接收（輸入）引腳，也可作為模擬輸入。
• #1 / TX：GPIO #1，也是 Serial1 的發(fā)送（輸出）引腳，也可作為模擬輸入。
• #20 / SDA：GPIO #20，也是 I2C（Wire）數(shù)據(jù)引腳，默認無上拉電阻，使用 I2C 時可能需要 2.2K - 10K 上拉電阻。
• #21 / SCL：GPIO #21，也是 I2C（Wire）時鐘引腳，默認無上拉電阻，使用 I2C 時可能需要 2.2K - 10K 上拉電阻。
• A0：該引腳既是模擬輸入 A0，也是具有 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）的模擬輸出引腳，可將原始電壓設置為 0 至 3.3V 之間的任意值。

（三）RFM/SemTech 無線電模塊引腳

由于 Feather 尺寸較小，并非所有引腳都能引出到擴展板，因此使用以下引腳控制無線電模塊：

• #8：用作無線電 CS（芯片選擇）引腳。
• #3：用作無線電 GPIO0 / IRQ（中斷請求）引腳。
• #4：用作無線電復位引腳。

（四）其他引腳

• RST：復位引腳，接地可手動復位 AVR 并手動啟動引導加載程序。
• ARef：模擬參考引腳，通常參考電壓與芯片邏輯電壓相同（3.3V），若需要替代模擬參考，可連接到該引腳并在固件中選擇外部 AREF，但電壓不能高于 3.3V。

三、組裝

Feather 模塊出廠時已進行全面測試，但未安裝引腳，用戶可根據(jù)需求選擇不同的引腳選項進行組裝。

（一）引腳選項

• 普通公引腳：可將 Feather 插入無焊面包板。
• 插座母引腳：雖不能插入面包板，但便于連接 FeatherWing。
• “堆疊引腳”：兼具插入無焊面包板和連接 FeatherWing 的能力，但體積稍大。

（二）組裝步驟

1. 焊接普通公引腳

• 準備引腳條：必要時將引腳條裁剪至合適長度，將其插入面包板，長引腳朝下，便于焊接。
• 安裝擴展板：將擴展板放在引腳上，使短引腳穿過擴展板焊盤。
• 焊接：確保焊接所有引腳，以實現(xiàn)可靠的電氣連接。

2. 焊接母引腳

• 固定引腳：使用膠帶將插座固定在適當位置，防止翻轉(zhuǎn)電路板時引腳掉落。
• 定位焊接：翻轉(zhuǎn)電路板后，在每個引腳條上焊接一兩個點，將引腳固定到位。
• 焊接：確保焊接所有引腳，以實現(xiàn)可靠的電氣連接。

四、天線選項

Feather Radio 模塊沒有內(nèi)置天線，用戶可選擇以下兩種天線進行連接：

（一）線天線

線天線，即“四分之一波鞭狀天線”，成本低且性能良好。只需將導線裁剪至合適長度，433 MHz 對應 6.5 英寸（16.5 cm），868 MHz 對應 3.25 英寸（8.2 cm），915 MHz 對應 3 英寸（7.8 cm）。將導線末端剝?nèi)?1 - 2 毫米，鍍錫后焊接到 Feather 最右側(cè)的 ANT 焊盤上即可。

（二）uFL 天線

若需要外部天線，對于未安裝表面貼裝 uFL 連接器的 Feather Radio 板，需自行購買 uFL 連接器（http://adafru.it/1661），F(xiàn)eather RP2040 RFM 板已預裝。還需 uFL 到 SMA 適配器（http://adafru.it/851）和匹配無線電頻率的天線。焊接 uFL 連接器時，注意將其底部的兩個大側(cè)焊盤（接地）和一個小入口焊盤焊接到 Feather 底部。連接 uFL/SMA 適配器時要小心，避免撕裂 PCB 焊盤，連接后使用應力釋放裝置。

五、電源管理

（一）電池與 USB 電源

Feather 模塊可通過兩種方式供電：

• USB 電纜：插入 USB 插孔，模塊將 5V USB 電壓調(diào)節(jié)至 3.3V。
• 鋰聚合物（LiPo/LiPoly）或鋰離子（LiIon）電池：連接到 JST 插孔，模塊可使用可充電電池供電。當 USB 供電時，模塊會自動切換到 USB 電源，并開始為電池充電（若電池已連接）。

（二）電源供應

模塊提供多個電源引腳，包括 BAT 引腳（連接鋰聚合物 JST 連接器）、USB 引腳（連接 USB 時的 +5V）和 3V 引腳（3.3V 穩(wěn)壓器輸出）。3.3V 穩(wěn)壓器峰值電流為 500mA，但不能連續(xù)從 5V 獲取 500mA 電流，否則會導致穩(wěn)壓器過熱。

（三）電池測量

為方便監(jiān)測電池電壓，模塊在 BAT 引腳連接了一個雙 100K 電阻分壓器，并連接到 D9（模擬 #7 A7）。通過讀取該引腳電壓并乘以 2，即可得到電池電壓。示例代碼如下：

#define VBATPIN A7
float measuredvbat = analogRead(VBATPIN);
measuredvbat *= 2; // 恢復實際電壓
measuredvbat *= 3.3; // 乘以 3.3V 參考電壓
measuredvbat /= 1024; // 轉(zhuǎn)換為電壓
Serial.print("VBat: ");
Serial.println(measuredvbat);

（四）使能引腳

若要關(guān)閉 3.3V 穩(wěn)壓器，可將 EN 引腳接地，此時 BAT 和 USB 引腳仍會供電。

（五）替代電源選項

• 永久安裝：使用 5V 1A USB 墻式適配器，通過 USB 電纜提供可靠電源。
• 移動使用：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。

需注意，不要使用堿性或 NiMH 電池連接到電池端口，也不要使用 7.4V RC 電池，以免損壞模塊。此外，不建議直接連接外部 3.3V 或 5V 電源，可能會導致意外行為或損壞模塊。

六、Arduino IDE 設置

（一）下載 Arduino IDE

首先，需要下載最新版本的 Arduino IDE，建議使用 1.8 或更高版本。

（二）添加 URL

打開 Arduino IDE，導航到“首選項”菜單，在“附加開發(fā)板管理器網(wǎng)址”選項中添加以下 URL：

package_adafruit_index.json https://adafruit.github.io/arduino-board-index/

添加后，點擊“確定”保存新的偏好設置。

（三）安裝板支持包

打開“工具” -> “開發(fā)板” -> “開發(fā)板管理器”，選擇“全部”類別，搜索并安裝“Arduino SAMD Boards”（版本 1.6.11 或更高）和“Adafruit SAMD”包。安裝完成后，建議重啟 Arduino IDE。

（四）選擇開發(fā)板

在“工具” -> “開發(fā)板”菜單中選擇匹配的開發(fā)板，如“Feather M0”、“Feather M0 Express”等。

（五）安裝驅(qū)動（僅適用于 Windows 7 & 8）

下載并運行 Adafruit 驅(qū)動安裝程序，選擇要安裝的驅(qū)動，點擊“安裝”完成安裝。

（六）上傳示例代碼

選擇“示例” -> “基礎” -> “Blink”示例代碼，點擊“上傳”，若上傳成功，可看到 LED 閃爍。

七、代碼適配

（一）模擬參考

若要使用 ARef 引腳進行非 3.3V 模擬參考，使用 analogReference(AR_EXTERNAL) 代碼。

（二）引腳輸出與上拉

對于 M0 & M4 板，使用 pinMode(pin, INPUT_PULLUP) 代替舊的 pinMode(pin, INPUT) 和 digitalWrite(pin, HIGH) 方式。

（三）串口與 SerialUSB

在 Adafruit M0/M4 核心中，Serial 可直接用于 USB 通信。若使用官方 Arduino SAMD 核心，需使用 SerialUSB 代替 Serial。

（四）模擬寫入 / PWM

Feather M0 上的某些引腳可進行 PWM 輸出，但部分引腳（如模擬引腳 A5）無法進行 PWM。同時，在使用 analogWrite() 時，需注意其 PWM 范圍與 AVR 不同。

（五）缺失頭文件

若代碼中使用了 M0 核心不支持的庫，可使用 #ifdef 進行條件編譯，避免編譯錯誤。

（六）引導加載程序啟動

對于 M0/M4 板，需雙擊復位按鈕啟動引導加載程序，進入引導加載程序模式后，紅色 LED 會閃爍。

（七）對齊內(nèi)存訪問

在 32 位平臺上，避免直接進行變量類型轉(zhuǎn)換，可使用 memcpy() 函數(shù)進行數(shù)據(jù)復制。

（八）浮點轉(zhuǎn)換

M0 庫不支持完整的浮點轉(zhuǎn)換，可參考相關(guān)線程找到可用的 dtostrf 函數(shù)。

（九）可用 RAM 監(jiān)測

可使用以下函數(shù)監(jiān)測可用 RAM：

extern "C" char *sbrk(int i);
int FreeRam () {
  char stack_dummy = 0;
  return &stack_dummy - sbrk(0);
}

（十）數(shù)據(jù)存儲在 FLASH

在 ARM 平臺上，在變量名前添加 const 可將變量或字符串存儲在 FLASH 中。

（十一）M4 性能選項

在 Arduino 開發(fā)板管理器的 Adafruit SAMD Boards 包版本 1.4.0 及以上，可通過“工具”菜單調(diào)整 M4 設備的性能選項，如 CPU 速度（超頻）、優(yōu)化、緩存、Max SPI 和 Max QSPI 等。但這些調(diào)整可能會帶來不確定性，若遇到問題，可選擇默認性能設置并重新上傳代碼。

八、使用 RFM9X 無線電

（一）Arduino 庫

建議使用 AirSpayce 的 Radiohead 庫進行無線電通信，該庫支持多種無線電模塊。

（二）RadioHead RFM9x 庫示例

1. 下載庫

可從 GitHub 手動下載 RadioHead 庫，或點擊按鈕下載為 zip 文件。解壓后將 RadioHead 文件夾放置在 arduinosketchfolder/libraries/ 文件夾中，重啟 Arduino IDE。

2. 基本 RX & TX 示例

• 發(fā)送器示例代碼：打開 RadioHead -> feather -> Feather9x_TX 示例代碼，根據(jù)使用的芯片組和布線情況，注釋或取消注釋相應的引腳定義。設置 RF95_FREQ 以匹配無線電硬件的頻率，上傳代碼后，發(fā)送器將每秒發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包。
• 接收器示例代碼：打開 RadioHead -> feather -> Feather9x_RX 示例代碼，確保 RF95_FREQ 值與發(fā)送器匹配，同樣根據(jù)芯片組和布線情況調(diào)整引腳定義。上傳代碼后，接收器將接收并確認小數(shù)據(jù)包，并發(fā)送回復。

（三）引腳布局

不同類型的 Feather 板（如 Feather 32u4、Feather M0、RP2040 Feathers 等）的 RFM9X 引腳布局不同，需根據(jù)實際情況進行設置。

（四）頻率設置

可通過設置 RF95_FREQ 來調(diào)整無線電通信的頻率，不同國家/ITU 區(qū)域有不同的 ISM 頻段，需確保使用合法的頻率。

（五）設置與初始化

在 setup() 函數(shù)中，設置串口控制臺并對無線電進行硬復位，然后調(diào)用 init() 函數(shù)初始化庫，并設置頻率和輸出功率。

（六）傳輸與接收代碼

• 傳輸代碼：在 loop() 函數(shù)中，等待 1 秒后發(fā)送數(shù)據(jù)包，調(diào)用 send() 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并使用 waitPacketSent() 等待傳輸完成。
• 接收代碼：在 loop() 函數(shù)中，使用 available() 函數(shù)檢查是否有數(shù)據(jù)包到達，若有則使用 recv() 函數(shù)接收數(shù)據(jù)，并打印接收到的信息和 RSSI 值，然后發(fā)送回復。

九、CircuitPython for RFM9x LoRa

（一）設計考慮

使用 CircuitPython 和 Adafruit CircuitPython RFM9x 模塊時，需注意以下設計限制：

• 每次只能發(fā)送和接收最多 252 字節(jié)的數(shù)據(jù)包。
• 純 Python 代碼接收數(shù)據(jù)包是“盡力而為”的，無中斷支持，需及時處理接收到的數(shù)據(jù)包。
• 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包會阻塞 Python 代碼，設計應用時應將無線電使用作為主要場景，減少后臺任務。
• 模塊默認配置與 RadioHead RFM95 Arduino 庫兼容，若需不同調(diào)制或設置，需自行配置。
• 模塊不支持加密和同步字，若需要需在應用代碼中自行實現(xiàn)。

（二）布線

將 RFM9x 擴展板連接到電路板時，注意 G0/中斷線無需連接。以 Feather M0 為例，連接方式如下：

• 電路板 3V 連接到無線電 VIN
• 電路板 GND 連接到無線電 GND
• 電路板 SCK 連接到無線電 SCK
• 電路板 MOSI 連接到無線電 MOSI
• 電路板 MISO 連接到無線電 MISO
• 電路板 D5 連接到無線電 CS（或其他數(shù)字 I/O 引腳）
• 電路板 D6 連接到無線電 RST（或其他數(shù)字 I/O 引腳）

（三）模塊安裝

若使用 Feather M0 RFM9x 并安裝了 CircuitPython 6.0 或更高版本，無需安裝庫模塊。若使用較舊版本，需從 Adafruit 的 CircuitPython 庫捆綁包中安裝 adafruit_rfm9x.mpy 和 adafruit_bus_device 庫。

（四）使用方法

在 CircuitPython 的 REPL 中，可按以下步驟初始化并使用無線電：

import board
import busio
import digitalio

# 初始化 SPI 連接