项目描述

本项目旨在探索和实践基于 Qorvo DWM3001CDK 开发套件的超宽带 (Ultra-Wideband, UWB) 精确测距技术，并结合外部获取的方位信息，通过控制连接到开发板的 RGB LED 灯的颜色和亮度，实现一种直观的位置和方向感知可视化效果。

项目介绍

随着物联网 (IoT) 和位置服务 (Location Services) 的快速发展，精确室内定位技术的需求日益增长。UWB 技术因其高精度、低功耗、高带宽和良好的抗多径干扰能力，成为室内定位领域的重要解决方案之一。DWM3001C 模块作为 Qorvo 推出的高度集成的 UWB 收发器模块，集成了 DW3110 UWB 收发器 IC、Nordic nRF52833 MCU、UWB 天线、蓝牙低功耗 (BLE) 收发器、加速度计、电源管理和晶振等关键组件。DWM3001CDK 开发套件则是评估和开发基于 DWM3001C 模块应用的便捷平台。

本项目"基于 DWM3001CDK 实现 UWB 测距与 RGB LED 控制"的核心目标是利用 DWM3001CDK 的 UWB 功能进行精确的距离测量。

考虑到 DWM3001C 模块本身主要专注于距离测量，而不直接提供角度或方位测量功能，我们假设手机的方位信息（例如，相对于 DWM3001CDK 的角度）可以通过其他方式（如手机自身的传感器、外部定位系统或其他辅助模块）获取，并能够将此方位信息传递给 DWM3001CDK 进行后续处理。

设计思路

本项目的整体设计思路可以概括为以下几个步骤：

1. UWB 测距实现：配置 DWM3001CDK 作为 UWB 系统中的一个节点（可以是锚点或标签），并使其能够与目标设备（假设为配备兼容 UWB 功能的手机）进行双向测距 (Two-Way Ranging, TWR)。TWR 是一种通过交换时间戳信息来计算两个设备之间距离的常用 UWB 测距方法。DWM3001C 模块支持 IEEE 802.15.4-2015 和 IEEE 802.15.4z BPRF 标准，并且符合 FiRa™ PHY 和 MAC 规范，确保与其他兼容设备的互操作性。
2. 外部方位信息集成：由于 DWM3001CDK 自身不具备角度测量能力，本项目依赖于外部系统或手机自身提供的方位信息。我们假设手机能够获取其相对于 DWM3001CDK 的方位角度，并通过某种通信接口（例如，UART、BLE）将此信息发送给 DWM3001CDK 的 nRF52833 MCU。
3. 数据融合与处理：DWM3001CDK 的 nRF52833 MCU 在接收到 UWB 测距结果（距离值）和外部传入的方位角度信息后，将对这些数据进行处理。处理逻辑将定义距离和角度与 RGB LED 灯颜色和亮度之间的映射关系。
4. RGB LED 控制：根据数据处理的结果，nRF52833 MCU 将通过其通用输入/输出 (GPIO) 引脚控制连接到开发板的 LED 灯的颜色和亮度。例如，距离的远近可以控制 LED 的亮度级别，而不同的角度范围可以触发 LED 显示不同的颜色。这种方式能够将抽象的距离和方位信息转化为直观的视觉反馈。

简短的硬件介绍

本项目主要使用的硬件组件包括：

• DWM3001CDK 开发套件：这是一个为评估 DWM3001C 模块功能而设计的便捷工具包。它集成了关键的硬件组件和接口，方便开发者进行 UWB 应用的开发和测试。
• • DWM3001C 模块：DWM3001CDK 的核心组件，它是一款高度集成的 UWB 收发器模块。该模块基于 Qorvo DW3110 IC，支持 Channel 5 (6.5 GHz) 和 Channel 9 (8 GHz) UWB 频段。DW3110 是一款低功耗、单芯片 CMOS RF 收发器 IC。DWM3001C 模块还集成了 Nordic nRF52833 SoC，这是一款具有 64 MHz ARM Cortex-M4 处理器的微控制器，并带有 BLE 收发器。此外，模块上还集成了平面 UWB 天线和蓝牙芯片天线，以及 ST LIS2DH12 三轴加速度计和 Torex XC9282 DCDC 转换器。DWM3001C 模块的工作电压范围为 2.5 V 至 3.6 V。
  • 板载 J-Link 调试器：方便用户对 nRF52833 MCU 进行程序烧录和调试。
  • Micro-USB 接口：提供电源和与 DWM3001C USB 接口的连接。
  • Raspberry Pi 兼容接口：方便与其他开发板进行扩展连接。
  • GPIO 和其他接口引出：DWM3001CDK 将 DWM3001C 模块的 GPIO、SPI、UART、I2C 等接口引出，方便用户进行外设扩展。用户可以将外部 RGB LED 灯连接到 nRF52833 MCU 的 GPIO 引脚上。
• RGB LED 灯：DWM3001CDK 开发板自带LED接口
• 

软件流程图

各功能对应的主要代码片段及说明

1. 系统初始化配置

/* 系统头文件 */
#include "nrf.h"
#include "nrf_gpio.h"
#include "nrf_pwm.h"


/* 定义GPIO引脚 */
#define LED_1          NRF_GPIO_PIN_MAP(0,4)  //D9 on the schematics
#define LED_2          NRF_GPIO_PIN_MAP(0,5)  //D10 on the schematics
#define LED_3          NRF_GPIO_PIN_MAP(0,22) //D11 on the schematics
#define LED_4          NRF_GPIO_PIN_MAP(0,14) //D12 on the schematics


#include "custom_board.h"
static nrf_drv_pwm_t m_pwm0 = NRF_DRV_PWM_INSTANCE(0);

// PWM配置
void pwm_init(void)
{
    nrf_drv_pwm_config_t config = {
        .output_pins = {
            BSP_LED_0 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 0
            BSP_LED_1 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 1
            BSP_LED_2 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 2
            BSP_LED_3 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED  // channel 3
        },
        .irq_priority = APP_IRQ_PRIORITY_LOWEST,
        .base_clock   = NRF_PWM_CLK_1MHz,
        .count_mode   = NRF_PWM_MODE_UP,
        .top_value    = 255,
        .load_mode    = NRF_PWM_LOAD_INDIVIDUAL,
        .step_mode    = NRF_PWM_STEP_AUTO
    };
    
    APP_ERROR_CHECK(nrf_drv_pwm_init(&m_pwm0, &config, NULL));
}

2. TWR 回调接口

      static void report_cb(const struct ranging_results *results, void *user_data) {
      ...
      distance_cm = (int)rm->distance_mm / 10;
      float local_aoa_deg = convert_aoa_2pi_q16_to_deg(rm->local_aoa_measurements[0].aoa_2pi);

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

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

      set_led_color_by_angle_and_distance(distance_cm,local_aoa_deg);
      
      }

3.接口调用控制LED

void set_led_color_by_angle_and_distance(float distance_cm, float angle_deg)
{
    uint16_t brightness;
    
    // 根据距离计算亮度
    if (distance_cm > MAX_DISTANCE) {
        brightness = 0;
    } else {
        brightness = (uint16_t)(255 * (1.0f - distance_cm / MAX_DISTANCE));
    }
    
    // 将角度映射到色彩空间 (例如HSV的H值)
    // 假设角度范围是0-360度
    float hue = angle_deg; // 直接使用角度作为色调
    
    // 将HSV转换为RGB (简化转换)
    uint8_t r, g, b;
    hsv_to_rgb(hue, 1.0, brightness/255.0, &r, &g, &b);
    
    // 设置PWM值
    nrf_pwm_values_individual_t pwm_values = {
        .channel_0 = r,
        .channel_1 = g,
        .channel_2 = b,
        .channel_3 = 0
    };
    
    nrf_drv_pwm_simple_playback(&m_pwm0, &pwm_values, 1, NRF_DRV_PWM_FLAG_LOOP);
}

// HSV到RGB转换函数
void hsv_to_rgb(float h, float s, float v, uint8_t *r, uint8_t *g, uint8_t *b)
{
    int i;
    float f, p, q, t;
    
    h = fmodf(h, 360.0f);
    h /= 60.0f;
    i = (int)h;
    f = h - i;
    p = v * (1.0f - s);
    q = v * (1.0f - s * f);
    t = v * (1.0f - s * (1.0f - f));
    
    switch (i) {
        case 0:
            *r = (uint8_t)(v * 255);
            *g = (uint8_t)(t * 255);
            *b = (uint8_t)(p * 255);
            break;
        case 1:
            *r = (uint8_t)(q * 255);
            *g = (uint8_t)(v * 255);
            *b = (uint8_t)(p * 255);
            break;
        case 2:
            *r = (uint8_t)(p * 255);
            *g = (uint8_t)(v * 255);
            *b = (uint8_t)(t * 255);
            break;
        case 3:
            *r = (uint8_t)(p * 255);
            *g = (uint8_t)(q * 255);
            *b = (uint8_t)(v * 255);
            break;
        case 4:
            *r = (uint8_t)(t * 255);
            *g = (uint8_t)(p * 255);
            *b = (uint8_t)(v * 255);
            break;
        default:
            *r = (uint8_t)(v * 255);
            *g = (uint8_t)(p * 255);
            *b = (uint8_t)(q * 255);
            break;
    }
}

功能展示图片及说明

1. 距离与角度感知可视化效果

当手机与DWM3001CDK之间的距离与角度变化时，连接到开发板的RGB LED灯的亮度会相应变化：

项目中遇到的难题和解决方法

在实现基于DWM3001CDK的UWB测距与RGB LED控制项目过程中，遇到了以下主要技术挑战及其解决方案：

1. UWB配置和测距精度问题

难题：DWM3001C模块的UWB配置涉及多个参数设置，如信道选择、前导码长度、数据速率等，这些参数直接影响测距的精度和可靠性。初期测试中发现测距结果不稳定，误差较大。

解决方法：

• 深入研究DWM3001C和DW3110 IC的数据手册，了解各参数对测距性能的影响
• 采用Qorvo推荐的参数配置，特别是针对室内环境的优化设置
• 实现了简单的低通滤波算法对距离测量结果进行平滑处理，减少瞬时噪声的影响
• 在开发过程中使用示波器和逻辑分析仪监测UWB信号质量，确保信号完整性

2. RGB LED驱动与PWM控制

难题：为实现RGB LED的平滑颜色渐变和亮度调节，需要精确控制PWM信号的占空比。nRF52833 MCU提供了PWM功能，但配置和使用相对复杂。

解决方法：

• 利用Nordic nRF5 SDK中的PWM驱动库，简化PWM配置和控制逻辑
• 设计了颜色映射算法，将角度值（0-360度）映射到RGB颜色空间，实现丰富的颜色渐变效果
• 实现了亮度控制函数，根据测量距离的变化平滑调整LED亮度
• 增加了防抖动机制，避免距离或角度微小变化导致的LED闪烁

对本活动的心得体会

通过参与本次基于DWM3001CDK实现UWB测距与RGB LED控制的项目，我深入了解了UWB的原理