Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 2): ​​Beherrschung der Kernfunktionen: Konfiguration und Nutzung

Dieses Kapitel dient als umfassender Praxisleitfaden und erläutert systematisch die Konfiguration und Verwendung des UWB650-Moduls mithilfe seines AT-Befehlssatzes. Der Inhalt behandelt die drei Kernfunktionen – Datenübertragung, hochpräzise Entfernungsmessung und Echtzeit-Positionierung – und bietet Ingenieuren klare Bedienungsanweisungen, ergänzt durch Befehlsbeispiele aus der Dokumentation.

AT-Befehlsschnittstelle: Struktur und Protokoll

Die gesamte Konfiguration und Bedienung des UWB650-Moduls erfolgt über serielle AT-Befehle. Diese Befehle folgen einem festen Format, beginnend mit dem Präfix UWBRFATund enden mit einem Wagenrücklauf und einem Zeilenvorschub . Die Antworten des Moduls folgen einem ähnlichen Format und beginnen und enden mit .

Während der Befehlsinteraktion verwendet das Modul einen internen Timeout-Timer von ca. 5 ms, um festzustellen, ob der Empfang der seriellen Daten abgeschlossen ist. Die Einhaltung dieses Timings ist entscheidend für die Erstellung stabiler und zuverlässiger automatisierter Steuerungsskripte, da es Befehlsanalysefehler oder -verluste durch zu schnell gesendete Befehle effektiv verhindert.

Datenübertragung: Punkt-zu-Punkt, Broadcast und verbesserte Zuverlässigkeit

Das Modul bietet flexible und funktionsreiche Datenübertragungsmöglichkeiten und unterstützt verschiedene Kommunikationsmodi und Erweiterungsmechanismen.

Netzwerkadressierung und Datenrouting

• Geräteidentifikation : Jedes UWB650-Modul wird im Netzwerk durch eine 16-Bit-PAN-ID (Personal Area Network Identifier) ​​und eine 16-Bit-Adresse eindeutig identifiziert. Kommunikation ist nur zwischen Modulen mit derselben PAN-ID möglich, und alle Module innerhalb derselben PAN-ID müssen eine eindeutige Adresse haben. Diese beiden Parameter können mit dem Befehl konfiguriert werden.UWBRFAT+DEVICEID=,

• Datenziel : DieUWBRFAT+TXTARGET=

  Mit diesem Befehl wird die Zieladresse für die Datenübertragung festgelegt. Wenn

  ist eine bestimmte Geräteadresse, das Modul wird in Punkt-zu-Punkt-Kommunikation. Wenn

  auf eingestellt ist 0xFFFF, überträgt das Modul Daten im Broadcast-Modus und alle Module mit derselben PAN-ID im Netzwerk können diese empfangen.

Zuverlässigkeit und Sicherheitsmechanismen

• Clear Channel Assessment (CCA) : Die CCA-Funktion kann mit aktiviert werden UWBRFAT+CCAENABLE=1. Ist sie aktiviert, überwacht das Modul den Kanal, um zu prüfen, ob er frei ist, bevor Daten gesendet werden. Ist der Kanal belegt, bricht das Modul die Übertragung ab und kehrt CCA FAILUREüber die serielle Schnittstelle zurück. In dicht besiedelten UWB-Umgebungen ist diese Funktion ein wirksames Mittel, um Datenkollisionen zu vermeiden und die Kommunikationserfolgsraten zu verbessern.

• Automatische Bestätigung (ACK) : Die automatische Bestätigungsanforderung kann mit aktiviert werden UWBRFAT+ACKENABLE=1. Wenn diese Option aktiviert ist, enthalten die vom Modul gesendeten Unicast-Datenrahmen eine ACK-Anforderung. Nach erfolgreichem Empfang der Daten antwortet der Empfänger automatisch mit einem ACK-Rahmen. Erhält der Sender die ACK innerhalb der angegebenen Zeit, gibt die serielle Schnittstelle zurück ACK DETECTED; bei einer Zeitüberschreitung gibt sie zurück ACK WAIT TIMEOUT. Diese Funktion bietet einen Link-Layer-Bestätigungsmechanismus für Anwendungen, die eine zuverlässige Datenübertragung erfordern.

• Datenverschlüsselung (AES-128) : Die AES-128-Verschlüsselung kann mit dem Befehl aktiviert werden. Bei Aktivierung wird der Frame-Payload-Teil des übertragenen Datenpakets verschlüsselt. Beachten Sie, dass die Verschlüsselung einen zusätzlichen Overhead von 16 Bytes verursacht, wodurch sich die maximale Datenlänge eines einzelnen Pakets, die ein Benutzer übertragen kann, von 1012 Bytes auf 996 Bytes reduziert. Dies ist ein klarer Kompromiss zwischen Sicherheit und Datendurchsatz.UWBRFAT+SECURITY=,

Energieverwaltung

• Sniff-Empfang (SNIFF) : Für stromempfindliche, batteriebetriebene Geräte kann der SNIFF-Modus mit dem UWBRFAT+SNIFFEN=1Befehl aktiviert werden. In diesem Modus arbeitet der Empfänger des Moduls mit einem Tastverhältnis von ca. 50 % (16 µs ein, 16 µs aus), wodurch der Empfangsstrom von ca. 100 mA auf 65 mA reduziert wird. Der Nachteil ist der mögliche Verlust einiger Datenpakete. Dies ist ein typischer Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Leistung.

Übertragungsleistung

Dank des leistungsstarken 1023-Byte-Transceiver-Puffers des DW3000-Chips kann ein Benutzer unter Berücksichtigung der festen Datenrahmenlänge maximal 1023-11 = 1012 Byte Frame-Payload-Daten in einem einzigen Paket übertragen. Da der drahtlose Sender nach Erhalt einer bestimmten Datenmenge vom Endgerät oder nach einer Wartezeit ohne neue Daten mit dem Senden beginnt und die drahtlose Übertragung ebenfalls einige Zeit in Anspruch nimmt, kommt es zu einer gewissen Zeitverzögerung, bis die Daten vom Sender zum Ausgang des Empfängers gelangen. Unter denselben Bedingungen ist diese Verzögerung fest (die genaue Zeit wird durch die serielle Portrate, die drahtlose Rate und die Größe des Datenpakets bestimmt).

Die Gesamtzeit, die die Daten für die Übertragung vom seriellen Eingang am sendenden Ende zum seriellen Ausgang am empfangenden Ende benötigen, ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Hochpräzise Entfernungsmessung: Implementierung der DS-TWR-Entfernungsmessung

Die Entfernungsmessungsfunktion des Moduls basiert auf der fortschrittlichen Methode Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR), kombiniert mit einem Schema Single-Sided Two-Way Ranging (SS-TWR). DS-TWR berechnet die Laufzeit des Signals präzise durch den Austausch von drei Nachrichten zwischen zwei Geräten. Der Hauptvorteil liegt in der Fähigkeit, Entfernungsfehler, die durch Quarzfrequenzunterschiede (d. h. Taktdrift) zwischen den beiden Geräten entstehen, effektiv zu eliminieren und so hochpräzise Messungen ohne komplexe netzwerkweite Taktsynchronisierung zu ermöglichen.

• Rollendefinition : Während der Ranging-Messung werden Geräte entweder als Initiator (Master) oder als Responder (Slave) kategorisiert. Der Initiator startet aktiv die Ranging-Anfrage und der Responder antwortet passiv.

• Befehlsvorgang :

  • Initiator : Der Initiator startet die Einstufung eines oder mehrerer Responder, indem er den Befehl sendet . Hier ist die Anzahl der Ziel-Responder und die Liste der Responder-Adressen angegeben.UWBRFAT+RANGING=,,,...

  • Responder : Der Responder befindet sich standardmäßig im Antwortmodus und erfordert keine spezielle Konfiguration. Wenn er eine Ranging-Anfrage von einem Initiator empfängt, nimmt er automatisch am Ranging-Prozess teil und gibt das Ergebnis nach Abschluss über die serielle Schnittstelle aus.

• Analyse des Ausgabeformats : Nachdem der Initiator die Entfernungsmessung abgeschlossen hat, lautet das empfangene Format . Wenn die Entfernungsmessung fehlschlägt, beträgt der Entfernungswert -1.+RANGING=(),()

• Leistung : Der Entfernungsmessungsprozess ist extrem schnell. Die folgende Tabelle zeigt die für die Entfernungsmessung in verschiedenen Modi benötigte Zeit:

Ingenieure können die Start- und Endzeiten des Entfernungsmessungsprozesses genau bestimmen, indem sie den Pegel des P011-Pins des Moduls überwachen.

Echtzeit-Ortungssystem (RTLS): 2D- und 3D-Positionierungsstrategien

Das Modul verfügt über eine integrierte Funktion zur vollständigen Standortbestimmung, die sowohl die 2D-Planar- als auch die 3D-Raumpositionierung unterstützt.

• Rollendefinition : In einem Positionierungssystem werden Geräte entweder als Tag (ein zu lokalisierendes mobiles Ziel) oder als Anker (ein fester Referenzpunkt mit bekannten Koordinaten) kategorisiert.

• Anker-Setup : Der erste Schritt bei der Bereitstellung eines Positionierungssystems besteht darin, die Koordinaten der Anker genau festzulegen. Verwenden Sie den Befehl , um die Position jedes Ankers in einem vordefinierten kartesischen Koordinatensystem mit Zentimetereinheiten zu konfigurieren. Die endgültige Genauigkeit des gesamten Positionierungssystems hängt maßgeblich von der Genauigkeit der Ankerkoordinatenmessungen ab.UWBRFAT+COORDINATE=,,

• Tag-Operation : Ein Tag initiiert eine Positionierungsanfrage durch Senden des Befehls . Der Befehl muss die Adressen von mindestens drei Ankern (für 2D-Positionierung) oder mindestens vier Ankern (für 3D-Positionierung) enthalten. Das Modul ermittelt automatisch die Position jedes Ankers in der Liste, berechnet dann mithilfe des integrierten Trilaterationsalgorithmus (genauer: Multilaterationsalgorithmus) seine eigenen (x,y,z)-Koordinaten und gibt das Ergebnis über die serielle Schnittstelle aus.UWBRFAT+LOCATION=,,...

• State Mutex : Die Funktionszustände des Moduls schließen sich gegenseitig aus. Wenn ein Modul beispielsweise als Initiator agiert und aktiv mit der Ortung oder Positionierung beginnt, kann es vorübergehend nicht auf Ortungsanfragen anderer Initiatoren reagieren. Ebenso wird während der Ortung oder Positionierung ein aktivierter SNIFF-Energiesparmodus vorübergehend deaktiviert, um den Empfang aller Ortungsantwort-Frames zu gewährleisten. Das bedeutet, dass in Systemen mit mehreren aktiven Geräten (mehreren Tags oder Initiatoren) eine sinnvolle MAC-Strategie (Medium Access Control), wie z. B. Time Division Multiple Access (TDMA), auf Anwendungsebene entwickelt werden muss, um die Kanalnutzung zu koordinieren und Kollisionen und Anforderungsfehler zu vermeiden. Das Modul selbst stellt die Funktionen der physischen Schicht bereit, ein stabiler Systembetrieb erfordert jedoch die Gewährleistung von Protokollen der oberen Schichten.

Detaillierte Analyse der UWB650-Modulserie

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 1): Einführung in die UWB-Technologie und das UWB650-Modul

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 2): ​​Beherrschung der Kernfunktionen: Konfiguration und Nutzung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 3): Erweiterte Funktionen und Systemwartung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 4): Kalibrierung der Antennenverzögerung und Überlegungen sowie bewährte Methoden zur Modulbereitstellung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 5): Konfigurationsbefehle