来源:小昭debug 作者:小昭 简介 ·测距、定位和数据传输。 ·利用双向测距(TOF)测量或单向到达时间差(TDOA)到达时间差,误差在10cm,经过一定的滤波误差可以达到更低。 ·跨越 3.5 GHz 至 6.5 GHz 的 6 个 RF 频段。 ·支持 110 kbps, 850 kbps 和 6.8 Mbps 的数据速率。 ·高数据传输速率,可以保持播放时间短,从而节省电量并延长电池的使用寿命。 ·它能够处理严重的多路径环境,因此非常适合高度反射的射频环境。 测距原理 两个uwb设备测距为例 设备A在a时刻发送消息(消息内容包含a时间戳),设备B接收在c时刻接收到消息,设备B在接收和发送消息,都可以记录当前的时间戳。 那计算a-c是不是就是电磁波在空气中传输的时间? 答案不是。因为它们的时钟并不同步。 a-b是本地时钟,那是不是电磁波往返的时间? 答案不是,这里还需要考虑到Trely,设备A发送给设备B到设备B发送给设备A的时间(设备B接收到消息后,做消息处理和硬件天线延迟的问题),这个不能不计,1 ns(纳秒) 的误差相当于测量距离的 30 cm 误差(光速)。 什么是时钟同步? 在某一个时刻,设备A和设备B的节拍相同,假设从0计数到65536,设备从一上电就开始计数,但是你能保证所有设备一上电都是同时从0开始计数吗?显然不行的。 哪有什么办法可以计算电磁波在空气中飞行的时间? 单向双向测距(SS-TWR)涉及单个消息从一个节点到另一个节点的往返延迟的简单测量,以及将响应发送回原始节点。(a-b)-(c-d):表示电磁波在空气中飞行的往返时间。 如果不能理解,举个例子: 地球和火星的距离。来自地球的老王,打电话给在火星上的老马并看了现在的时间12:00:00(时分秒),老马接到电话,时间是18:00:00,多了一会,在18:05:00老马打了电话给老王,老王在12:13:00接到电话。因为他们的频率是一致都是以秒为单位(假设),通过这些数据可以计算信号在地球和火星间飞行的时间,往返的时间是13-5=8分钟;这里我们还要考虑到老马或者老王的表是否快几秒的误差可能。 可以看出,随着 Treply 增加,并且随着时钟偏移增加,飞行时间估计中的误差增加到误差使得估计非常不准确的程度。由于这个原因, SS-TWR 不常用。 DS-TWR 双向双向测距(DS-TWR)是基本的单向双向测距的延伸,其中使用了两个往返时间测量,并将其组合在一起,从而得到飞行时间结果 即使相当长的响应延迟也是错误的。极度降低Treply 的时间。因为一些障碍物或者噪声的干扰,测距变化较大,最好多次取平均值,DS-TWR就是这种。 测距公式: 代码讲解 uwb硬件实物(开源) uwb硬件原理图 主控与uwb通信,只使用了UWB_RST和SPI引脚。 //消息头 //设备B 基站 static uint8 rx_poll_msg[] = {0x00, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'H', 'A', 'V', 'E', 0x21, 0, 0, 0, 0}; static uint8 tx_resp_msg[] = {0x41, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'L', 'O', 'V', 'E', 0x10, 0x02, 0, 0, 0, 0}; static uint8 rx_final_msg[] = {0x41, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'O', 'P', 'E', 'N', 0x23, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; //设备A 标签 static uint8 tx_poll_msg[] = {0x00, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'H', 'A', 'V', 'E', 0x21, 0, 0, 0, 0}; static uint8 rx_resp_msg[] = {0x41, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'L', 'O', 'V', 'E', 0x10, 0x02, 0, 0, 0, 0,0}; static uint8 tx_final_msg[] = {0x41, 0x88, 0, 0xCA, 0xDE, 'O', 'P', 'E', 'N', 0x23, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}; //只定义消息 数据通信 static uint8 tx_distance_msg[] = {0x41, 0x88, 0, 0xAA, 0xDE, 'W', 'A', 'V', 'E', 0xAA, 0, 0,0, 0, 0}; #define DISTAN_INDEX 9 #define TURE_LENGTH 5
通信流程
1、设备A作为标签,主动发送消息(poll T1 时间戳保留在寄存器中)DS-TWR测距 tx_poll_msg[ALL_MSG_ANTHOR_IDX] = dest_anthor; //UWB POLL 包数据 rx_resp_msg[ALL_MSG_ANTHOR_IDX] = dest_anthor; //UWB RESPONSE 包数据 tx_final_msg[ALL_MSG_ANTHOR_IDX] = dest_anthor; //UWB Fianl 包数据 /* Write frame data to DW1000 and prepare transmission. See NOTE 7 below. */ tx_poll_msg[ALL_MSG_SN_IDX] = frame_seq_nb; dwt_writetxdata(sizeof(tx_poll_msg), tx_poll_msg, 0); //将Poll包数据传给DW1000,将在开启发送时传出去 dwt_writetxfctrl(sizeof(tx_poll_msg), 0); //设置超宽带发送数据长度
/* Start transmission, indicating that a response is expected so that reception is enabled automatically after the frame is sent and the delay * set by dwt_setrxaftertxdelay() has elapsed. */ dwt_starttx(DWT_START_TX_IMMEDIATE | DWT_RESPONSE_EXPECTED); //开启发送,发送完成后等待一段时间开启接收,等待时间在dwt_setrxaftertxdelay中设置 //发送完 打开接收器 uwb寄存器会记录发射的时间戳 /* We assume that the transmission is achieved correctly, poll for reception of a frame or error/timeout. See NOTE 8 below. */ while (!((status_reg = dwt_read32bitreg(SYS_STATUS_ID)) & (SYS_STATUS_RXFCG | SYS_STATUS_ALL_RX_ERR)))//不断查询芯片状态直到成功接收或者发生错误 { }; //等待接收
设备B作为基站,接收poll消息 并发送resp (T2 T3时间戳)
设备A 接收resp 发送final()T4 T5 if (status_reg & SYS_STATUS_RXFCG)//如果成功接收 { uint32 frame_len;
/* Clear good RX frame event and TX frame sent in the DW1000 status register. */ dwt_write32bitreg(SYS_STATUS_ID, SYS_STATUS_RXFCG | SYS_STATUS_TXFRS);//清楚寄存器标志位
/* A frame has been received, read it into the local buffer. */ frame_len = dwt_read32bitreg(RX_FINFO_ID) & RX_FINFO_RXFLEN_MASK; //获得接收到的数据长度
dwt_readrxdata(rx_buffer, frame_len, 0); //读取接收数据 /*数据帧类型判断*/ if(rx_buffer[ALL_MSG_TAG_IDX] != TAG_ID)//检测TAG_ID continue;
/* Check that the frame is the expected response from the companion 'DS TWR responder' example. * As the sequence number field of the frame is not relevant, it is cleared to simplify the validation of the frame. */ rx_buffer[ALL_MSG_SN_IDX] = 0; if (rx_buffer[Frame_type]==0x10)//判断接收到的数据是否是response数据 { uint32 final_tx_time;
/* Retrieve poll transmission and response reception timestamp. */ poll_tx_ts = get_tx_timestamp_u64(); //获得POLL发送时间T1 resp_rx_ts = get_rx_timestamp_u64(); //获得RESPONSE接收时间T4 //距离发送 memcpy(&dist[dest_anthor],&rx_buffer[11],2); /* Compute final message transmission time. See NOTE 9 below. */ final_tx_time = (resp_rx_ts + (RESP_RX_TO_FINAL_TX_DLY_UUS * UUS_TO_DWT_TIME)) >> 8;//计算final包发送时间,T5=T4+Treply2 dwt_setdelayedtrxtime(final_tx_time);//设置final包发送时间T5
/* Final TX timestamp is the transmission time we programmed plus the TX antenna delay. */ final_tx_ts = (((uint64)(final_tx_time & 0xFFFFFFFE)) << 8) + TX_ANT_DLY;//final包实际发送时间是计算时间加上发送天线delay
/* Write all timestamps in the final message. See NOTE 10 below. */ final_msg_set_ts(&tx_final_msg[FINAL_MSG_POLL_TX_TS_IDX], poll_tx_ts);//将T1,T4,T5写入发送数据 final_msg_set_ts(&tx_final_msg[FINAL_MSG_RESP_RX_TS_IDX], resp_rx_ts); final_msg_set_ts(&tx_final_msg[FINAL_MSG_FINAL_TX_TS_IDX], final_tx_ts); tx_final_msg[ALL_MSG_SN_IDX] = frame_seq_nb; dwt_writetxdata(sizeof(tx_final_msg), tx_final_msg, 0);//将发送数据写入DW1000 dwt_writetxfctrl(sizeof(tx_final_msg), 0);//设定发送数据长度 dwt_starttx(DWT_START_TX_DELAYED);//设定为延迟发送
设备B接收final,final消息包(包含了设备A的T1 T4 T5),汇总后开始计算距离。
自定义数据包 //发送 tx_distance_msg[ALL_MSG_ANTHOR_IDX] = 2; tx_distance_msg[DISTAN_INDEX] = dist[0]/100; tx_distance_msg[DISTAN_INDEX+1] = dist[0]%100; tx_distance_msg[DISTAN_INDEX+2] = dist[1]/100; tx_distance_msg[DISTAN_INDEX+3] = dist[1]%100; dwt_writetxdata(sizeof(tx_distance_msg), tx_distance_msg, 0); dwt_writetxfctrl(sizeof(tx_distance_msg), 0);
dwt_starttx(DWT_START_TX_IMMEDIATE); while (!(dwt_read32bitreg(SYS_STATUS_ID) & SYS_STATUS_TXFRS)) { };
如果是多基站,标签做个轮询每个基站测距,就可以完成。 这种遍历方式,不是最优的,可以采用中断的方式,检测UWB_IRQ引脚电平,判断接收消息类型,做对应的数据处理和数据回复。 //中断设置 /* Register RX call-back. */ //接收消息的回调函数 dwt_setcallbacks(&tx_conf_cb, &rx_ok_cb, &rx_to_cb, &rx_err_cb); /* Enable wanted interrupts (TX confirmation, RX good frames, RX timeouts and RX errors). */ //设置对应的中断标志 dwt_setinterrupt(DWT_INT_TFRS | DWT_INT_RFCG | DWT_INT_RFTO | DWT_INT_RXPTO | DWT_INT_RPHE | DWT_INT_RFCE | DWT_INT_RFSL | DWT_INT_SFDT, 1);
如果是采用这种方式做定位,也不是最优,还有更优的操作,TDOA定位,TDOA不需要UWB定位标签与定位基站之间进行往复通信,只需要定位标签发射一次UWB信号,工作时长缩短了,功耗也就大大降低了,故能做到更高的定位动态和定位容量。 |
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