uwb最详细的DS-TWR测距-技术圈

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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

    //重启DW1000     reset_DW1000();/* Target specific drive of RSTn line into DW1000 low for a period. */    //降低SPI频率    spi_set_rate_low();    //初始化DW1000    if(dwt_initialise(DWT_LOADUCODE) == -1)    {          while(1){    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);      deca_sleep(100);                GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);        GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_14);      deca_sleep(100);              }          }    //回复SPI频率    spi_set_rate_high();      /* Configure DW1000. See NOTE 6 below. */    //配置DW1000 传输速率 通道 包长 包格式    dwt_configure(&config);
    /* Apply default antenna delay value. See NOTE 1 below. */    //设置接收天线延迟    dwt_setrxantennadelay(RX_ANT_DLY);    //设置发射天线延迟        dwt_settxantennadelay(TX_ANT_DLY);        /* Set expected response's delay and timeout. See NOTE 4 and 5 below.     * As this example only handles one incoming frame with always the same delay and timeout, those values can be set here once for all. */    //设置发送后开启接收，并设定延迟时间    dwt_setrxaftertxdelay(POLL_TX_TO_RESP_RX_DLY_UUS);     // 接收器 设置接收超时时间    dwt_setrxtimeout(RESP_RX_TIMEOUT_UUS);

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）

dwt_setrxtimeout(0);//设定接收超时时间，0位没有超时时间/* Activate reception immediately. */dwt_rxenable(0);//打开接收/* Poll for reception of a frame or error/timeout. See NOTE 7 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接收成功或者出现错误{ };if (status_reg & SYS_STATUS_RXFCG)//成功接收{               /* Clear good RX frame event in the DW1000 status register. */    dwt_write32bitreg(SYS_STATUS_ID, SYS_STATUS_RXFCG);    //清楚标志位
    /* A frame has been received, read it into the local buffer. */    frame_len = dwt_read32bitreg(RX_FINFO_ID) & RX_FINFO_RXFL_MASK_1023;    //获得接收数据长度
    if (frame_len <= RX_BUFFER_LEN)    {        dwt_readrxdata(rx_buffer, frame_len, 0);    }      /*判断数据*/    if(rx_buffer[ALL_MSG_ANTHOR_IDX]!=ANCHOR_ID)      continue;    /* Check that the frame is a poll sent by "DS TWR initiator" 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]==0x21)//判断是否是poll包数据    {        uint32 resp_tx_time;        /* Retrieve poll reception timestamp. */        poll_rx_ts = get_rx_timestamp_u64();//获得Poll包接收时间T2
        /* Set send time for response. See NOTE 8 below. */        resp_tx_time = (poll_rx_ts + (POLL_RX_TO_RESP_TX_DLY_UUS * UUS_TO_DWT_TIME)) >> 8;//计算Response发送时间T3。        dwt_setdelayedtrxtime(resp_tx_time);//设置Response发送时间T3
        /* Set expected delay and timeout for final message reception. */        dwt_setrxaftertxdelay(RESP_TX_TO_FINAL_RX_DLY_UUS);        //设置发送完成后开启接收延迟时间        dwt_setrxtimeout(FINAL_RX_TIMEOUT_UUS);//接收超时时间
        /* Write and send the response message. See NOTE 9 below.*/        memcpy(&tx_resp_msg[11],&dis,2);        tx_resp_msg[ALL_MSG_TAG_IDX] = rx_buffer[ALL_MSG_TAG_IDX];        tx_resp_msg[ALL_MSG_SN_IDX] = frame_seq_nb;        dwt_writetxdata(sizeof(tx_resp_msg), tx_resp_msg, 0);        //写入发送数据        dwt_writetxfctrl(sizeof(tx_resp_msg), 0);        //设定发送长度        dwt_starttx(DWT_START_TX_DELAYED | DWT_RESPONSE_EXPECTED);        //延迟发送，等待接收        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接收成功或者出现错误                { };        //等待接收

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。

if (status_reg & SYS_STATUS_RXFCG)//接收成功  {      /* 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;//数据长度
          dwt_readrxdata(rx_buffer, frame_len, 0);//读取接收数据            /* Check that the frame is a final message sent by "DS TWR initiator" example.       * As the sequence number field of the frame is not used in this example, it can be zeroed to ease the validation of the frame. */      rx_buffer[ALL_MSG_SN_IDX] = 0;      if (rx_buffer[Frame_type]==0x23)//判断是否为Fianl包      {          uint32 poll_tx_ts, resp_rx_ts, final_tx_ts;          uint32 poll_rx_ts_32, resp_tx_ts_32, final_rx_ts_32;          double Ra, Rb, Da, Db;          int64 tof_dtu;                    /* Retrieve response transmission and final reception timestamps. */          resp_tx_ts = get_tx_timestamp_u64();//获得response发送时间T3          final_rx_ts = get_rx_timestamp_u64();//获得final接收时间T6
          /* Get timestamps embedded in the final message. */          final_msg_get_ts(&rx_buffer[FINAL_MSG_POLL_TX_TS_IDX], &poll_tx_ts);//从接收数据中读取T1，T4，T5          final_msg_get_ts(&rx_buffer[FINAL_MSG_RESP_RX_TS_IDX], &resp_rx_ts);          final_msg_get_ts(&rx_buffer[FINAL_MSG_FINAL_TX_TS_IDX], &final_tx_ts);          
          /* Compute time of flight. 32-bit subtractions give correct answers even if clock has wrapped. See NOTE 10 below. */          poll_rx_ts_32 = (uint32)poll_rx_ts;//使用32位数据计算          resp_tx_ts_32 = (uint32)resp_tx_ts;          final_rx_ts_32 = (uint32)final_rx_ts;          Ra = (double)(resp_rx_ts - poll_tx_ts);//Tround1 = T4 - T1            Rb = (double)(final_rx_ts_32 - resp_tx_ts_32);//Tround2 = T6 - T3           Da = (double)(final_tx_ts - resp_rx_ts);//Treply2 = T5 - T4            Db = (double)(resp_tx_ts_32 - poll_rx_ts_32);//Treply1 = T3 - T2            tof_dtu = (int64)((Ra * Rb - Da * Db) / (Ra + Rb + Da + Db));//计算公式
          tof = tof_dtu * DWT_TIME_UNITS;          distance = tof * SPEED_OF_LIGHT;//距离=光速*飞行时间          dist2 = distance - dwt_getrangebias(config.chan,(float)distance, config.prf);//距离减去矫正系数                    dis = dist2*1000;//dis 为单位为mm的距离

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)){ };

//接收判断 接收用户数据if(rx_buffer[ALL_MSG_ANTHOR_IDX]!=ANCHOR_ID)              continue;else if (memcmp(rx_buffer, tx_distance_msg, TURE_LENGTH) == 0){                                               dist[0] = rx_buffer[DISTAN_INDEX]*100+rx_buffer[DISTAN_INDEX+1];    dist[1] = rx_buffer[DISTAN_INDEX+2]*100+rx_buffer[DISTAN_INDEX+3];}

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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