文章目录

TREK1000 评估套件
TREK1000评估套件的软件功能的分析
- 1、DecaRangeRTLS ARM Source Code Guide 的解读
- 1.2 软件的架构
- 1.3测距的精度问题
- 1.4 TREK1000 TWR 中的消息帧
- **1.4.1消息帧格式**
- **1.4.2消息帧通讯时间**
- **1.4.3定位的刷新率**
- 1.5 UWB通信数据流的处理--状态机
- **1.5.1 状态机工作的内容**
- **1.5.2 状态机的结构分析**
- **1.5.2.3总结**
- 2、DecaRangeRTLS_PC_Source_Code_Guide的解读
- 2.1 简介：
- 2.1三边定位运算：
TREK1000评估套件的软件功能的总结

TREK1000 评估套件

Decawave 公司提供了TREK1000 评估套件，用户可快速评估Decawave UWB 技术在多个实时定位系统 (RTLS) 的性能。

TREK1000 是基于双向测距。通过PC端的上位机，可实现精准定位，进而实现跟踪、导航、电子围栏的应用。

该套件包括：

4 个装置，分别为可配置的锚点或标签
双向测距板软件和源代码
PC 应用软件

该评估套件，通过拨位开关的拨码，从而设定标签或者基站的角色，以及基站分组、标签序号设定。这样就可以很方便地添加EVK1000 评估板，扩展定位系统。但在实际的项目中，考虑到用户端的体验，一般我们会开发单独的标签端电路系统，基站端电路提供，基站的分组，标签序号，也会由不同的方式去实现。

TREK1000评估套件提供了相对详细的开发方案，包括嵌入式软件、上位机定位软件、以及相关的一些开发文档。
接着，我们就对该评估套件的软件功能的结构进行解读

TREK1000评估套件的软件功能的分析

1、DecaRangeRTLS ARM Source Code Guide 的解读

1.1 DecaRangeRTLS ARM Source Code Guide 简介
该文档是一份基于EVB1000开发板的ARM 芯片的软件源代码的参考手册。

该分档主要分析的 DecaRangeRTLS ARM application的软件架构，尤其是如何计算测距值。

该文档的section 6 详细描述了如何来处理UWB的通信中的发射和接收的数据流。

1.2 软件的架构

1.2.1 软件的架构图：

1.2.2软件代码分析：

1.2.2.1 驱动接口实现及DW1000寄存器操作API函数

The low-level ARM specific code
定义了GPIO管脚。SPI通讯相关的芯片驱动管脚和LCD驱动管脚。
Abstract SPI Driver – SPI Level code
-封装了SPI 驱动的一些函数 openspi(), closespi(), writetospi() and readfromspi().
Device Driver – DW1000 Device Level Code
DW1000 相关的API操作函数。

1.2.2.2 测距功能的实现

Instance Code（状态机的设计）
在基于DW1000 驱动API的上层，实现双向测距。
具体来说：是用运用常见的状态机的处理方式，状态机入口函数instance_run()。
单个标签按照一定的次序与基站通讯，然后实现标签到各个基站的距离，从而运用该组距离值计算得到标签的定位信息，然后将该定位信息显示到GUI。（定位和GUI不在这个状态机处理之内）
Operating mode – Tag

tag 会每个一定时间发起测距。测距完后进入休眠。
tag在每次都会向4个基站发起测距。广播发送poll包，然后依次接收基站的response包，然后发送final包。如果没有接收到来自基站#0 的response包，那么tag会停止发送final包。

tag的测距周期：对于 110kbps 是 280ms；对于6.81Mbps 是 100ms 。

为了支持多标签，这里我们使用的TDMA的方式，每一个时间槽对应一个标签和4个基站的测距交互。每一个时间槽是110Kps 模式下28ms、6.8Mbps 模式下是10ms,这里支持8个标签，剩余两个时间槽是用于基站之间的测距。

Operating mode – Anchor #0， #1，#2

基站#0 会动态地分配时间槽给每个标签，这样就避免的通讯干扰。每个标签会根据自己的标签序号来对应相应的时间槽。

基站#0 会搜集标签到各个基站的距离，然后通过USB端口上传给上位机。

基站#0也会发起基站间的测距，基站#0发起与基站#1和基站#2间的测距。基站#1发起与基站#2的测距。

这样就有6个测距值通过基站#0的USB端口发送给上位机。

1.2.2.3测距的机制

TWR双向测距方式的实现是通过状态机instance_run()函数。在instance Level 层面上，这里还提供了其他的操作函数如下：

instance_init(), instance_config(), instance_run(), instance_close(), instancedevicesoftreset(),
instancegetrole(), instancesetrole(), instancesetantennadelays(), instancereaddeviceid(),
instance_readaccumulatordata(), instancesetreporting(), instancegetcurrentrangeinginfo(),
instancesetaddresses(), instancesettagsleepdelay(), instancesetreplydelay(), instancesetspibitrate(),
instance_rxcallback(), instance_txcallback(), inst_processrxtimeout().

1.2.2.4 软件代码一展表

1.3测距的精度问题

1、天线延迟。不同硬件，不同频段模式的UWB通信，天线延迟的时间值有所不同。该值可以写入到DW1000 的OTP中。
2、Ranging Marker (RMARKER): The first ultra-wide band (UWB) pulse 的侦别。

1.4 TREK1000 TWR 中的消息帧

1.4.1消息帧格式

帧消息的格式要符合on IEEE 802.15.4 UWB.

具体如下面的图：

1.4.2消息帧通讯时间

基站会通过自身的基站id确定延时发送response包。延时发送的时间尽可能的短。标签的一个测距实现所需的时间，除了UWB通讯的速率，还受到两个因素的制约：SPI的通讯速率。MCU的处理速度。

通过实验测到的数据如下：

这里的Frame timings 和 Slot timings 是不同的概念，一个是Frame的通讯时间，一个MCU处理时间。

1.4.3定位的刷新率

这里两个通讯速率的模式下，对应两个刷新率。

1.5 UWB通信数据流的处理–状态机

1.5.1 状态机工作的内容

TX\RX UWB通讯的发送，接收以及数据处理
记录TX and RX的timestamps
测距计算

1.5.2 状态机的结构分析

1.5.2.1入口函数 instance_run()
周期性的调用该状态机入口函数。

外部中断instance_txcallback() or instance_rxcallback()事件响应处理（队列机制）。

testapprun() 来负责整个状态机的调度。

1.5.2.2各个状态

Initial state: TA_INIT： 确定角色：基站还是标签。
State: TA_SLEEP_DONE： 唤醒DW1000。

为了缩减能耗，我们这里使用DW1000 RSTn 管脚来确定DW1000 是否从DEEP SLEEP模式进入INIT模式。

DW1000从唤醒到进入IDLE状态需要35us的时间。
State: TA_TXPOLL_WAIT_SEND

在这个状态里需要完成两件事情：
1、确定发送的目标地址，选择的广播方式。
2、poll包的组帧及发送。
3、设定延时接收，及接收超时时间。这样发送完毕后，会自动开启接收。
State: TA_TXE_WAIT
该状态是开启下一个测距前的准备状态。
在这个状态里，将判断标签是否需要进入DEEP SLEEP。
State: TA_TX_WAIT_CONF
在这个状态里，我们将确认消息是否发送完成。如果发送完成，我们将读取并保存发送时间。否则会继续等待。

发送完成后会开启接收。进入下一个状态TA_RXE_WAIT。
State: TA_RXE_WAIT
该状态里是进入RX状态前的准备状态，因为我们使用的是延迟接收模式。
State: TA_RX_WAIT_DATA
该状态的时间处理最长，因为我们要处理所有的RX消息。同时我们还将对接收超时做出判断和处理。
State: TA_TXFINAL_WAIT_SEND
该状态里，我们主要做了两件事：
1、final包的组包及延时发送。
2、跳转到TA_TX_WAIT_CONF

1.5.2.3总结

状态机的设计，需要对TWR各个状态有个清晰的理解。
对标签和基站两个角色的状态处理会有所不同，但架构基本一致。
基站#0，还会动态的分配时间槽。

2、DecaRangeRTLS_PC_Source_Code_Guide的解读

2.1 简介：

DecaRangeRTLS PC端的设计，主要是实现定位运算及GUI。

GUI的设计是通过Qt 的框架来建立的。包括如下几个方面的内容：

主窗体 Main Windows
串口连接
定位运算模块
基站列表
标签列表
视图配置工具
系统参数配置

GUI 效果图：

2.1三边定位运算：

DEMO中提供了简便的三边定位的算法实现, 非常值得参考。算法的基础是向量法来计算标签坐标。

2.3 总结

Qt 开发GUI 有它自身的优势，向量法定位算法也非常值得借鉴。但是提供的Demo还是太简陋了。

TREK1000评估套件的软件功能的总结

TREK1000评估套件的定位方案总体还是比较详尽。用于对Decaweave DW1000的性能的概念评估已足够了。

但是二次开发，确实存在不少难度。主要难点如下：

1、DW1000通信状态机的理解，修改以及移植。
2、实际的项目中为了更好的用户体验，会去掉拨位开关，这里就会涉及到基站时序、标签时序的通信问题。
3、PC端定位上位机的算法设计。虽然该方案中提供给了一个向量法的定位算法，该算法的理解需要一定的数学功底。当然定位的方法还有很多种，不同的定位算法的优劣，需要考量。