【UWB定位技术】基于DW3000芯片与STM32的定位通信模块设计与实现

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引言

  超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术遵循IEEE802.15.4a和802.15.4z标准，通过精确测算无线电信号飞行时间，可实现厘米级精度的距离与位置测量，兼具定位与通信功能的无线技术。DW3000是一系列完全集成的低功耗单芯片CMOS射频收发器集成电路，本文基于DW3000芯片，从技术原理、算法设计、硬件开发、软件实现及系统验证等维度，设计并实现了一款UWB定位通信模块。该模块与STM32微控制器结合，可实现高精度角度与距离测量，并通过数据承载功能，达成厘米级定位与数据通信一体化应用。

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一、DW3000芯片技术原理

1.1 芯片硬件架构

  DW3000由包含接收器和发射机的模拟前端（射频与基带部分）以及数字后端组成。数字后端通过行业标准SPI接口与主机处理器连接，控制模拟前端，接收来自主机处理器的传输数据，并将接收到的数据提供给主机处理器，如图1.1所示为DW3000芯片框图。

图1.1 DW3000芯片框图

  DW3000芯片集成UWB通信与定位功能，支持6489.6 MHz（信道5）及7987.2 MHz（信道9）双频段，融合双向测距、TDoA与PDoA定位技术，实现定位与数据传输并行，精度达10 cm；具备强抗多径衰落性能，适配RTLS高标签密度场景。硬件架构采用极简设计，集成MAC协议处理模块与38 MHz SPI高速接口，低功耗特性适配纽扣电池供电。数据传输方面，支持850 kb/s、6.8 Mb/s双速率模式，数据包长度0–1023八位字节；内置增强型飞行时间安全机制，集成AES CCM*/GCM（128/192/256）加密算法，满足全球UWB法规标准。

1.2 芯片操作机制解析

1.2.1 通信接口特性

  DW3000主机通信接口是一个符合行业协议的从属串行外设接口SPI，主机系统通过SPI接口控制DW3000，进行配置寄存器与状态寄存器的读写操作、数据缓冲区的访问以及指令的发送。芯片的SPI MISO接口在片选信号（SPI CS）无效时自动切换至开漏模式，通过外部上拉电阻实现SPI总线的多设备并联共存。

图1.2.1 芯片SPI时序图

  该芯片不支持菊花链拓扑，因其未被选中时的SPI接口仅能实现电气层面的被动信号导通（非逻辑中继透传），无法满足菊花链中信号分层转发的要求，易引发多设备数据冲突。芯片遵循摩托罗拉SPI协议，工作时序如图1.2.1所示为芯片SPI时序图。

1.2.2 通信模式选择

  SPI工作模式的配置在DW3000初始化阶段完成，该过程由设备复位或睡眠唤醒事件触发。初始化时通过采样芯片GPIO5/6引脚电平，确定SPI的时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）模式，如图1.2.2所示为CPHA为0的时序关系图。

图1.2.2 CPHA为0的时序关系图

  如图所示，当CPHA参数设为0时，需搭配CPOL的参数为0协同工作。本文设计定位通信模块采用CPOL=0与CPHA=0的SPI模式，表1为芯片的四种模式配置。

表1 芯片的四种模式配置

GPIO 5 (SPIPOL)	GPIO 6 (SPIPHA)	SPI Mode
0	0	0
0	1	1
1	0	2
1	1	3

  如表所示，GPIO 5与GPIO 6引脚配置用于SPI模式的采样判定。两引脚内部默认下拉至低电平，对应SPI模式0。若需配置其他模式，需通过阻值不超过10 kΩ的外部电阻上拉至VIO_D电源。本设计的定位通信模块采用默认SPI模式0，其时序关系如图1.2.2所示 。

1.2.3 通信事务格式化

  每个SPI事务都以一个或两个八位字节的事务头开始，随后是构成事务数据的可变数量的八位字节。SPI传输的大小不受限制，但在向DW3000的任何寄存器写入时，必须注意不要写入超出所选寄存器公布长度的额外数据(1.1章节描述，数据包长度0–1023八位字节)，否则可能会导致IC故障，如图1.2.3(a)所示为SPI事务头和事务数据。

图1.2.3(a) SPI事务头和事务数据

  在物理层协议中，SPI接口呈现全双工特性，每次数据传输均同步完成数据位的移入与移出操作；而在逻辑层面，单次传输仅能执行读或写单一操作。本设计中MCU作为主设备、芯片作为从设备，数据按高位优先（MSB first）规则在SPI数据线上传输，其中交易序列的首位决定通信方向——0表示读操作，1表示写操作。
  CS负跳变时，SPI事务处理器初始化，芯片将后续字节解析为新事务头；CS正跳变时，事务终止。芯片通过SPI可访问参数划分为32个独立寄存器组，每个读写事务头含5位寄存器组ID——基地址，用于标识当前访问的寄存器组。通过选中寄存器组内的子地址映射，可高效访问芯片内部所有参数，事务头长度依子地址模式不同分为1字节或2字节，如图1.2.3(b)所示为SPI命令格式化。

图1.2.3(b) SPI命令格式化

  如图可知，SPI命令结构包含四种类型：其一为快速单字节命令，支持多达32种独特指令；其二是快速寻址模式，可对32个地址执行读写操作，该命令结构通过尾比特填充为SPI地址解码器预留读数据获取时间，读取长度由SPI事务长度决定；其三为完整寻址模式，支持32个地址的读写及最多128字节的偏移寻址，同样通过尾比特填充确保解码器时序，读写长度由事务长度动态确定；其四是掩码写事务，旨在简化读-改-写操作，主机可向目标地址写入数据并对1、2或4字节数据应用置位、清零或翻转掩码，相关读-改-写指令由SPI命令解码器在内部完成。

1.3 射频通信协议与数据帧机制

1.3.1 消息传输

  数据包传输是DW3000收发器的核心基础功能，支持含数据有效载荷与无数据有效载荷两种传输模式。该收发器兼容四种数据包格式，均符合IEEE 802.15.4a与IEEE 802.15.4z标准规范，其具体格式如图1.3.1所示为数据包格式。

图1.3.1 数据包格式

  由图可知，当STS（加扰时间戳序列）模式使能时，DW3000发射端将按图示位置嵌入STS，接收端则同步适配该结构以实现准确接收。数据包以同步头为起始，同步头包含前导码与帧起始定界符（SFD）；物理层头（PHR）用于定义数据有效载荷的长度及传输速率。STS的引入可实现安全时间戳标记与测距功能。
  在数据的发送过程中，主机控制器需将待传输数据写入发送缓冲区（TX_BUFFER），并在发送帧控制寄存器（TX_FCTRL）与信道控制寄存器（CHAN_CTRL）中配置前导码长度、帧长度、数据速率及脉冲重复频率（PRF）。PRF的取值由所选前导码类型（TX_PCODE）决定。当其他相关配置完成，主机控制器通过发送TX指令启动传输。传输启动后，DW3000 将发送完整数据包，包含前导码、帧起始定界符（SFD）、物理层头（PHR）及物理层有效载荷（MAC帧）。加扰时间戳序列（STS）的有无取决于所配置的数据包格式——图1.3.1；在STS数据包配置3（SP3）中，物理层头（PHR）与物理层有效载荷（PHY Payload）将被省略。
  为辅助MAC层组帧，集成电路在基于帧长度（TXFLEN）从发送缓冲区（TX_BUFFER）传输（MAC）数据时，会计算帧校验序列（FCS）并自动附加。数据传输完成后，通过系统状态寄存器（SYS_STATUS）中的发送完成（TXFRS）事件状态位向主机发出信号，随后芯片返回锁相环空闲（IDLE_PLL）模式以等待新指令。

1.3.2 信息接收

  接收UWB信号时，主机可通过请求使能接收器启动数据包接收，该操作需在设备处于RC空闲模式（IDLE_RC）或锁相环空闲模式（IDLE_PLL）时执行。设备上电后首次使能接收前，必须对接收器进行校准；当ONW_PGFCAL位被置位时，接收校准会在唤醒过程中自动完成。
  主机通过发送接收启动指令使能接收器。接收器启动后，将持续搜索前导码直至检测或捕获到前导码，随后尝试解调，如图1.3.2所示为接收序列。

图1.3.2 接收序列

1.4 基站与标签节点选型策略

  在实现本文设计的定位通信模块，系统架构采用基站-标签（Anchor-Tag）的分布式拓扑结构。其中，基站节点选用DW3220芯片，标签节点采用DW3210芯片。该选型策略基于以下技术考量：DW3220芯片集成双天线接收阵列，支持到达相位差（PDOA）测量技术，可通过空间分集处理实现角度估计功能；其双接收通道架构允许同时采集两路信号，为PDOA融合定位算法提供硬件基础。相较之下，DW3210作为单天线接收芯片，通过简化射频