UWB650模塊深度解析（二） ：掌握核心功能：配置與使用

本章節(jié)將作為一份詳盡的實(shí)踐指南，系統(tǒng)性地介紹如何通過AT指令集來配置和使用UWB650模塊。內(nèi)容將覆蓋數(shù)據(jù)傳輸、高精度測距和實(shí)時(shí)定位三大核心功能，并結(jié)合文檔中的命令示例，為工程師提供清晰的操作流程。

AT指令接口：結(jié)構(gòu)與協(xié)議

UWB650模塊的所有配置和操作都通過串口AT指令完成。這些指令遵循一個(gè)固定格式，即以UWBRFAT作為前綴，并以回車符<CR>和換行符<LF>作為結(jié)束符。模塊的響應(yīng)也遵循相似的格式，以<CR><LF>開始和結(jié)束。

在進(jìn)行指令交互時(shí)，模塊內(nèi)部通過一個(gè)約5ms的超時(shí)定時(shí)器來判斷串口數(shù)據(jù)的接收是否結(jié)束。遵循這一時(shí)序?qū)τ诰帉懛€(wěn)定可靠的自動(dòng)化控制腳本至關(guān)重要，可以有效避免因指令發(fā)送過快而導(dǎo)致的命令解析錯(cuò)誤或丟失。

數(shù)據(jù)傳輸：點(diǎn)對點(diǎn)、廣播與增強(qiáng)可靠性

模塊提供了靈活且功能豐富的數(shù)據(jù)傳輸能力，支持多種通信模式和增強(qiáng)機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)尋址與數(shù)據(jù)路由

• 設(shè)備標(biāo)識(shí): 每個(gè)UWB650模塊在網(wǎng)絡(luò)中都由一個(gè)16位的PAN ID（個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符）和一個(gè)16位的Address（設(shè)備地址）來唯一標(biāo)識(shí)。只有PAN ID相同的模塊之間才能進(jìn)行通信，而同一PAN ID下的所有模塊Address必須唯一。這兩個(gè)參數(shù)可以通過UWBRFAT+DEVICEID=<id>,<addr>指令進(jìn)行配置。
• 數(shù)據(jù)目標(biāo): 使用UWBRFAT+TXTARGET=<address>指令可以設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)地址。當(dāng)<address>為一個(gè)具體的設(shè)備地址時(shí)，模塊將進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信。當(dāng)<address>設(shè)置為0xFFFF時(shí)，模塊將以廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有相同PAN ID的模塊都能接收到該數(shù)據(jù)。

 可靠性與安全性機(jī)制

• 信道偵聽 (CCA): 通過UWBRFAT+CCAENABLE=1可以開啟清晰信道評估（Clear Channel Assessment）功能。開啟后，模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)前會(huì)先偵聽信道是否空閑。如果信道被占用，模塊將放棄本次發(fā)送，并通過串口返回CCA FAILURE。在UWB設(shè)備密集的部署環(huán)境中，該功能是避免數(shù)據(jù)沖突、提高通信成功率的有效手段。
• 自動(dòng)應(yīng)答 (ACK): 通過UWBRFAT+ACKENABLE=1可以開啟自動(dòng)應(yīng)答請求功能。開啟后，模塊發(fā)送的單播數(shù)據(jù)幀會(huì)包含一個(gè)ACK請求。接收方成功收到數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)回復(fù)一個(gè)ACK幀。發(fā)送方若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到ACK，則串口返回ACK DETECTED；若超時(shí)未收到，則返回ACK WAIT TIMEOUT。此功能為需要確保數(shù)據(jù)可靠到達(dá)的應(yīng)用場景提供了鏈路層的確認(rèn)機(jī)制。
• 數(shù)據(jù)加密 (AES-128): 使用UWBRFAT+SECURITY=<enable>,<key>指令可以啟用AES-128加密功能。啟用后，發(fā)送數(shù)據(jù)包的Frame Payload部分將被加密。需要注意的是，加密會(huì)增加16字節(jié)的額外開銷，因此用戶可傳輸?shù)淖畲髥伟鼣?shù)據(jù)長度會(huì)從1012字節(jié)減少到996字節(jié)。這是一個(gè)在安全性與數(shù)據(jù)吞吐量之間的明確權(quán)衡。

 功耗管理

• 偵聽接收 (SNIFF): 對于功耗敏感的電池供電設(shè)備，可以通過UWBRFAT+SNIFFEN=1指令開啟SNIFF模式。在該模式下，模塊的接收機(jī)以約50%的占空比（16us開啟，16us關(guān)閉）工作，從而將接收電流從約100 mA顯著降低至65 mA。代價(jià)是可能會(huì)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)包。這是一個(gè)典型的功耗與性能之間的權(quán)衡選項(xiàng)。

（SNIFF（偵聽接收）模式時(shí)序圖）

 傳輸性能

基于DW3000芯片強(qiáng)大的收發(fā)緩沖區(qū)（1023個(gè)字節(jié)），除去固定的數(shù)據(jù)幀長度，用戶單包最多可以傳輸1023-11=1012字節(jié)的Frame Payload數(shù)據(jù)。
由于無線通信發(fā)射端是從終端設(shè)備接收到一定量數(shù)據(jù)后，或等待一定的時(shí)間沒有新數(shù)據(jù)才開始發(fā)射，無線通信發(fā)射端到無線通信接收端的數(shù)據(jù)空中傳輸也需要耗時(shí)，故數(shù)據(jù)從發(fā)射端到接收端輸出會(huì)存在著一定的時(shí)間延遲，同樣的條件下延遲時(shí)間是固定的(具體時(shí)間是由串口速率，空中速率和傳輸數(shù)據(jù)包的大小來共同決定的)。

（UWB模塊端到端數(shù)據(jù)傳輸延遲示意圖）

模塊的數(shù)據(jù)從發(fā)送端串口輸入到接收端串口輸出的總用時(shí)參考如下表：

 高精度測距：實(shí)現(xiàn)DS-TWR距離測量

模塊的測距功能基于先進(jìn)的雙邊雙向測距法（Double-Sided Two-Way Ranging, DS-TWR），并結(jié)合了單邊雙向測距法（SS-TWR）的方案。DS-TWR通過在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行三次消息交換來精確計(jì)算信號的飛行時(shí)間，其核心優(yōu)勢在于能夠有效地消除由兩端設(shè)備晶振頻率差異（即時(shí)鐘漂移）引入的測距誤差，從而實(shí)現(xiàn)高精度測量，而無需復(fù)雜的全網(wǎng)時(shí)鐘同步 。

（DS-TWR（雙邊雙向測距）時(shí)序圖）

• 角色定義: 測距時(shí)，設(shè)備分為Initiator（主機(jī)）和Responder（從機(jī)）。主機(jī)主動(dòng)發(fā)起測距請求，從機(jī)被動(dòng)響應(yīng)。
• 指令操作:
  • 主機(jī): 主機(jī)通過發(fā)送UWBRFAT+RANGING=<number>,<addr1>,<addr2>,...指令來發(fā)起對一個(gè)或多個(gè)從機(jī)的測距。其中<number>為目標(biāo)從機(jī)的數(shù)量，<addr>為從機(jī)地址列表。
  • 從機(jī): 從機(jī)默認(rèn)處于響應(yīng)模式，無需特殊配置。當(dāng)收到主機(jī)的測距請求后，它會(huì)自動(dòng)參與測距流程，并在完成后通過串口輸出測距結(jié)果。
• 輸出格式分析: 主機(jī)完成測距后，收到的格式為+RANGING=(<distance>),(<rssi>)。如果測距失敗，距離值將為-1。
• 性能: 測距過程極為迅速。下表為不同模式下的測距消耗時(shí)間：

工程師可以通過監(jiān)測模塊的P011引腳電平來精確獲取測距流程的起止時(shí)間。

實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS)：2D與3D定位策略

模塊內(nèi)置了完整的定位解算功能，支持二維平面和三維空間定位。

• 角色定義: 定位系統(tǒng)中，設(shè)備分為Tag（標(biāo)簽，待定位的移動(dòng)目標(biāo)）和Anchor（基站，坐標(biāo)已知的固定參考點(diǎn)）。
• 基站設(shè)置: 部署定位系統(tǒng)的第一步是精確設(shè)置基站的坐標(biāo)。使用UWBRFAT+COORDINATE=<x>,<y>,<z>指令為每個(gè)基站配置其在預(yù)定義笛卡爾坐標(biāo)系中的位置，單位為厘米。整個(gè)定位系統(tǒng)的最終精度在很大程度上取決于基站坐標(biāo)測量的準(zhǔn)確性。
• 標(biāo)簽操作: 標(biāo)簽通過發(fā)送UWBRFAT+LOCATION=<anchor1>,<anchor2>,...指令來發(fā)起一次定位請求。指令中需要包含至少3個(gè)基站的地址（用于2D定位）或至少4個(gè)基站的地址（用于3D定位）。模塊會(huì)自動(dòng)與列表中的每個(gè)基站進(jìn)行測距，然后利用內(nèi)置的三角定位（更準(zhǔn)確地說是多點(diǎn)定位）算法解算出自身的(x,y,z)坐標(biāo)，并將結(jié)果通過串口輸出。
• 狀態(tài)互斥: 模塊的功能狀態(tài)是互斥的。例如，當(dāng)一個(gè)模塊作為主機(jī)主動(dòng)發(fā)起測距或定位時(shí)，它將暫時(shí)無法響應(yīng)來自其他主機(jī)的測距請求。同樣，在測距或定位期間，已開啟的SNIFF低功耗模式也會(huì)被暫時(shí)禁用，以確保能夠接收到所有的測距響應(yīng)幀。這意味著在存在多個(gè)主動(dòng)設(shè)備（多個(gè)標(biāo)簽或主機(jī)）的系統(tǒng)中，必須在應(yīng)用層設(shè)計(jì)一個(gè)合理的介質(zhì)訪問控制（MAC）策略，如時(shí)分多址（TDMA），來協(xié)調(diào)信道使用，避免沖突和請求失敗。模塊本身提供了物理層的能力，但系統(tǒng)級的穩(wěn)定運(yùn)行需要上層協(xié)議的保障。

UWB650模塊深度解析系列

UWB650模塊深度解析一 ：UWB技術(shù)及UWB650模塊導(dǎo)論

UWB650模塊深度解析二 ：掌握核心功能：配置與使用

UWB650模塊深度解析三：高級功能與系統(tǒng)維護(hù)

UWB650模塊深度解析四：天線延遲校準(zhǔn)及模塊部署考量與最佳實(shí)踐

UWB650模塊深度解析五：配置命令