内容介绍

1.项目介绍

1.1.目标

本项目是使用DWM3001CDK评估版实现的自定义任务：通过UWB协议测算开发板与手机之间的距离(精确到厘米级别)，将距离相关信息通过带屏十二指神探的LCD屏幕展示；同时在手机与开发板距离小于40CM的时候，点亮板载红色LED；在手机与开发板距离大于40CM时，点亮板载的绿色LED。

1.2.效果展示

如下图为实际效果展示，DWM3001C评估版与手机的距离为31CM，此时点亮板载的红色LED，同时在带屏十二指神探的屏幕上面展示实际的距离信息。

如下图，DWM3001C评估版与手机的距离为118CM，此时点亮板载的绿色LED，同时在带屏十二指神探的屏幕上面展示实际的距离信息。

2.硬件连接

在本次项目中，主要使用到两块板卡：DWM3001CDK评估板、电子森林带屏十二指神探

DWM3001CDK评估板
1. 通过扩展排针接口与十二至神探连接，主要包含：5V、GND、UART_TX、UART_RX
2. 板载LED：用于距离指示，大于40CM电亮绿灯，否则点亮红灯
3. DWM3001C模组：与手机进行UWB通信，计算距离信息
电子森林带屏十二指神探
1. 通过扩展接口为DWM3001CDK提供5V供电以及UART通信能力
2. 屏幕：用于接收来自于DWM3001CDK的UWB解析数据，并且按照一定的格式展示出来
3. USB：连接电脑进行调试以及供电

3.软件说明

3.1.编程软件

本次由于涉及到两款版本，因此对每个板卡使用到的变成软件分别进行介绍

3.1.1.DWM3001CDK

针对于DWM3001CDK评估版，使用的是SEGGER Embedded Studio 8.22a；使用的源码工程是官方的QANI-All-FreeRTOS_QNI_3_0_0示例。

需要注意的是，默认情况下由于缺少nRF52833对应的hex生成工具，因此直接编译的时候可能会报错，解决方式是安装nRF-Command-Line-Tools工具。

3.1.2.带屏十二指神探

带屏十二指神探使用的主芯片是RP2040，本次使用的是MicroPython进行编程，因此使用到的工具是Thonny

3.2.软件代码

软件整体分为两个部分：DWM3001CDK上面的LED控制、UWB信息解析以及UART输出；RP2040上面的UART数据接收、解析、LCD屏幕驱动/绘制。

3.2.1.DWM3001CDK

初始化部分

主函数主要流程如下：

完成外设初始化(时钟、UWB、UART、BLE、LED等)
启动FreeRTOP任务调度

int main(void) {
    // Initialize modules.
    clock_init();
    reporter_instance.init();

    hal_uwb.mcu_sleep_config();

#if NRF_LOG_ENABLED
    init_logger_thread();
#endif

    // Accessory Nearby Interaction Initialization
    niq_init(ResumeUwbTasks, StopUwbTask, (const void *)nrf_crypto_init,
             (const void *)nrf_crypto_uninit,
             (const void *)nrf_crypto_rng_vector_generate);

    // Accessory instructed to act as a Responder or Initiator
    niq_set_ranging_role(ACCESSORY_RANGING_ROLE);

    // Create Default task: it responsible for WDT and starting of "applications"
    AppConfigInit(); /**< load the RAM Configuration parameters from NVM block */

    // Start BLE 
    char advertising_name[32];

    snprintf(advertising_name, sizeof(advertising_name), "%s (%08X)", (char*)BoardName, (unsigned int)NRF_FICR->DEVICEADDR[0]);
    ble_init(advertising_name);

    EventManagerInit();
    BoardInit();
    if (uwb_init() != DWT_SUCCESS) {
        APP_ERROR_HANDLER(NRF_ERROR_RESOURCES);
    }
    DefaultTaskInit();
   
    // Driver version is available after probing of the DW chip
    const char ver[]    = FULL_VERSION;
    const char *drv_ver = dwt_version_string();
    const char *mac_ver = uwbmac_get_version();

    char str[256];
    int sz;

    sz  = sprintf(str, "Application: %s\r\n", ApplicationName);
    sz += sprintf(&str[sz], "BOARD: %s\r\n", BoardName);
    sz += sprintf(&str[sz], "OS: %s\r\n", OsName);
    sz += sprintf(&str[sz], "Version: %s\r\n", ver);
    sz += sprintf(&str[sz], "%s\r\n", drv_ver);
    sz += sprintf(&str[sz], "MAC: %s\r\n", mac_ver);
    sz += sprintf(&str[sz], "ACCESSORY_RANGING_ROLE: %s\r\n", (ACCESSORY_RANGING_ROLE) ? "Initiator" : "Responder");
    reporter_instance.print(str, sz);

    // Start FreeRTOS scheduler.
    osKernelStart();

    for (;;) {
        APP_ERROR_HANDLER(NRF_ERROR_FORBIDDEN);
    }
}

BSP初始化

针对于板载相关硬件的初始化代码如下，在主函数中被调用，主要完成：

板载LED以及按键初始化
UART初始化(对外通信)

void BoardInit(void)
{
    bsp_board_init(BSP_INIT_LEDS | BSP_INIT_BUTTONS);
    peripherals_init();

    for (int i = 0; i < 6; i++)
    {
        bsp_board_led_invert(BSP_BOARD_LED_0);
        bsp_board_led_invert(BSP_BOARD_LED_1);
        bsp_board_led_invert(BSP_BOARD_LED_2);
        bsp_board_led_invert(BSP_BOARD_LED_3);
        nrf_delay_ms(250);
    }

    // 串口初始化
    uint32_t err_code;
    const app_uart_comm_params_t comm_params =
      {
          UART_0_RX_PIN,
          UART_0_TX_PIN,
          RTS_PIN_NUMBER,
          CTS_PIN_NUMBER,
          APP_UART_FLOW_CONTROL_DISABLED,
          false,
          UART_BAUDRATE_BAUDRATE_Baud115200
      };

    APP_UART_FIFO_INIT(&comm_params,
                         UART_RX_BUF_SIZE,
                         UART_TX_BUF_SIZE,
                         uart_error_handle,
                         APP_IRQ_PRIORITY_LOWEST,
                         err_code);

    APP_ERROR_CHECK(err_code);
}

UWB处理

在通过SPI接收到DW3110芯片的UWB数据之后，在如下函数中进行解析以及相关处理

依照获取数据解析出请求头、解析结果，距离信息就在这里进行获取
依据距离信息进行阈值判断，当距离小于阈值40CM时，点亮红色LED；当距离大于40CM时，点亮绿色LED
将解析的数据组合成JSON的字符串类型，通过UART发送给十二指神探

static void report_cb(const struct ranging_results *results, void *user_data) {
  static bool notify = true;
  
  int len = 0;
  int distance_cm;
  struct string_measurement *str_result = (struct string_measurement *)user_data;
  struct ranging_measurements *rm;
  fira_param_t *fira_param = get_fira_config();

  if (results->stopped_reason != 0xFF)
    return;

  session_id = fira_param->session_id;

  len = sprintf(str_result->str, "{\"Block\":%" PRIu32 ", \"results\":[",
                results->block_index);

  for (int i = 0; i < results->n_measurements; i++) 
  {
    if (i > 0) 
    {
      len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, ",");
    }
 
    rm = (struct ranging_measurements *)(&results->measurements[i]);

    len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len,
                    "{\"Addr\":\"0x%04x\",\"Status\":\"%s\"",
                    rm->short_addr,
                    (rm->status) ? ("Err") : ("Ok"));

    if (rm->status == 0)
    {
      distance_cm = (int)rm->distance_mm / 10;

      len +=
          snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, ",\"D_cm\":%d",
                   (int)rm->distance_mm / 10);

      if(hal_uwb.is_aoa() == AOA_ENABLED)
      {
        len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, 
                ",\"LPDoA_deg\":%0.2f,\"LAoA_deg\":%0.2f,\"LFoM\":%d,\"RAoA_deg\":%0.2f",
                    convert_aoa_2pi_q16_to_deg(rm->local_aoa_measurements[0].pdoa_2pi),
                    convert_aoa_2pi_q16_to_deg(rm->local_aoa_measurements[0].aoa_2pi),
                    rm->local_aoa_measurements[0].aoa_fom,
                    convert_aoa_2pi_q16_to_deg(rm->remote_aoa_azimuth_2pi)
            );
      }

      len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len,
                      ",\"CFO_100ppm\":%d", (int)fira_uwb_mcps_get_cfo_ppm());

      //uart_send_msg(distance_cm % 255);

      // Take action based on distance
      if (notify && (distance_cm < MIN_CM_DISTANCE_THRESHOLD))
      {
#if LEDS_NUMBER > 1
          // Visual indication on the device for "inside the bubble"
          bsp_board_led_on(BSP_BOARD_LED_2);  // Red LED On
          bsp_board_led_off(BSP_BOARD_LED_0); // Green LED Off
#endif

        // Send message to trigger notification on the iOS side
        send_ios_notification((uint8_t)distance_cm, "You are in the secure bubble.");
        notify = false;
      }
      else if (!notify && (distance_cm > MAX_CM_DISTANCE_THRESHOLD))
      {
#if LEDS_NUMBER > 1
          // Visual indication on the device for "outside the bubble"
          bsp_board_led_off(BSP_BOARD_LED_2); // Red LED Off
          bsp_board_led_on(BSP_BOARD_LED_0);  // Green LED On
#endif

        // Send message to trigger notification on the iOS side
        send_ios_notification((uint8_t)distance_cm, "You are out of the secure bubble.");
        notify = true;
      }

    }
    len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, "}");
  }

  len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, "]");

  /* Display RSSI, CFO and NLOS */
  if (fira_uwb_is_diag_enabled())
  {
    len = fira_uwb_add_diag(str_result->str, len, str_result->len);
  }

  len += snprintf(&str_result->str[len], str_result->len - len, "}\r\n");
  reporter_instance.print((char*)str_result->str, len);
  uart_send_msg(str_result->str, len);
}

3.2.2.RP2040

RP2040的初始化代码如下，主要的逻辑为

初始化ST7789这个LCD，并且在屏幕上显示默认值
初始化UART1，设置参数为：115200-8-n-1

st7789_res = 0
st7789_dc  = 1
disp_width = 240
disp_height = 240
CENTER_Y = int(disp_width/2)
CENTER_X = int(disp_height/2)
spi_sck=Pin(2)
spi_tx=Pin(3)
spi0=SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)

display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                          reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                          dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                          xstart=0, ystart=0, rotation=0)
display.fill(st7789.BLACK)

res_block = 0
res_D_cm = 0
res_status = 'Wait'
res_addr = '0x0'
res_cfo = '0'

display.text(font2, "Funpack4-1", 10, 10)
display.text(font2, "DWM3001CDK", 10, 45)
display.text(font2, "Dist: "+str(res_D_cm)+" CM", 10, 90)
display.text(font1, "Block = "+str(res_block), 10, 140)
display.text(font1, "Status = "+str(res_status), 10, 160)
display.text(font1, "Addr = "+str(res_addr) , 10, 180)
display.text(font1, "CFO_100ppm = "+str(res_cfo), 10, 200)
display.text(font1, "-- by vic", 160, 220)

# 初始化 UART，设置 RX 为 GPIO 20，TX 为 GPIO 21，波特率为 9600
uart = UART(1, baudrate=115200, bits=8, parity=None, stop=1, tx=Pin(20), rx=Pin(21))

串口数据解析以及处理代码如下，主要动作为

每次循环从串口获取一个字节的数据，将其使用utf-8格式进行编码，将其加入到字符串缓冲区中
当检测到\r\n时，表示数据接收完成
输入的数据是json格式，对其进行解析，将结果刷新到LCD上

received_data = ""
while True:
    if uart.any():
        # 读取一个字节的数据
        byte_data = uart.read(1)
        if byte_data:
            try:
                # 将字节数据转换为字符串
                char_data = byte_data.decode('utf-8')
                received_data += char_data
                # 检查是否接收到 \r\n
                if received_data.endswith('\r\n'):
                    # 去除末尾的 \r\n 并打印
                    data = received_data.rstrip('\r\n')
                    
                    # 数据解析
                    json_data = ujson.loads(received_data)
                    res_block = json_data['Block']
                    res_D_cm = json_data['results'][0]['D_cm']
                    res_status = json_data['results'][0]['Status']
                    res_addr = json_data['results'][0]['Addr']
                    res_cfo = json_data['results'][0]['CFO_100ppm']
      
                    display.text(font2, "Dist: "+str(res_D_cm)+" CM"+"      ", 10, 90)
                    display.text(font1, "Block = "+str(res_block)+"         ", 10, 140)
                    display.text(font1, "Status = "+str(res_status)+"       ", 10, 160)
                    display.text(font1, "Addr = "+str(res_addr)+"           ", 10, 180)
                    display.text(font1, "CFO_100ppm = "+str(res_cfo)+"      ", 10, 200)
                    
                    # 清空已接收的数据
                    received_data = ""
            except:
                print("Received non - UTF-8 byte:", byte_data)
                # 清空已接收的数据
                received_data = ""

4.小结

通过本次活动，首次使用UWB开发板进行开发测试，该开发板提供的示例程序以及参考文档能够快速的上手UWB相关的测试，但是实际使用中因为单天线的问题，无法直接进行角度测试，这一点比较可惜。