UWB NI框架嵌入式实现——Qorvo示例

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了UWB NI框架嵌入式实现——Qorvo示例。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

在Qorvo提供的DW3000示例代码中,实现了与Apple的NI框架的互通的示例,本文中针对其示例程序进行简要的分析。测试中使用Qorvo提供的模块,该模块为nRF52833+DW3000的架构。

1. Qorvo相关库文件

Qorvo在提供示例时,仅提供了相关的库文件代码以及使用说明,因此,本文也只能在整体库文件的基础上进行介绍。
Qorvo库文件封装了NI框架相关的操作,提供了库访问的头文件:niq.h注意:根据Qorvo Licence文件,需要商用,需要获得相关授权。
库文件:libniq-m4-hfp-0.9.9.1.a,版本:0.9.9.1
引用库相关框架,主要包括:Qorvo的NI框架库、DW3000相关驱动(libdwt_uwb_driver-hfp-6.0.0d.a,版本:6.0.0)、uwbstack_lib(主要是与FiRa相关内容),可以理解NI框架为在FiRa标准之上,根据苹果设备的特性进行了一层封装。

1.1 关于NIQ库

niq库文件主要的内容如下,头文件niq.h
其中,初始化niq库,调用niq_init函数,该函数主要涉及了UWB的开始与结束,加密相关秘钥的初始化与去初始化,包括测距秘钥向量生成等函数指针。

//vector生成等(STS需要使用)
int  niq_init(const void (*start_uwb)(void), 
              const void (*stop_uwb)(void), 
              const void (*crypto_init)(void), 
              const void (*crypto_deinit)(void),
  const void (*crypto_range_vector_geneator)(uint8_t * const data, size_t data_len));

/* 重启NI框架,每次UWB TWR会话停止均需要调用 */
void niq_reinit(void);
/* 取消初始化NI Qorvo 模块,前置调用设置的crypto_deinit函数 */
void niq_deinit(void);
/* 停止 NI UWB TWR会话 */
void niq_stop_uwb(void);

//设置测距角色,0 - Controlee + Responder, 1 - Controller + Initiator
void niq_set_ranging_role(uint8_t role);
// 提供第三方配件配置数据,用于OOB握手——>对外输出配置数据。
void niq_populate_accessory_uwb_config_data(void * out_buffer, 
                                            uint8_t * out_buffer_len);
// 配置UWB会话参数,调用start_uwb()
int  niq_configure_and_start_uwb(uint8_t *payload, uint8_t length, void *arg);


/// ----------------------------------------------------------------------
/// The following definitions exposed to the embedded application
/// ----------------------------------------------------------------------

#define E_NIQ_INPVAL              1
#define E_NIQ_VERSIONNOTSUPPORTED 2

#define NI_ACCESSORY_PROTOCOL_SPEC_MAJOR_VERSION 1
#define NI_ACCESSORY_PROTOCOL_SPEC_MINOR_VERSION 0

#define MAX_UWB_CONFIG_SIZE (64)
#define ACCESSORY_CONFIGURATION_DATA_FIX_LEN (16)

关于NI框架中,外设相关的配置数据内容结构体(在iOS NI框架介绍中有简单介绍)如下:

/* 80字节 */
struct AccessoryConfigurationData {
    uint16_t            majorVersion; // NI Accessory Protocol major version
    uint16_t            minorVersion; // NI Accessory Protocol minor version
    uint8_t             preferredUpdateRate;
    uint8_t             rfu[10];
    uint8_t             uwbConfigDataLength;
    uint8_t             uwbConfigData[MAX_UWB_CONFIG_SIZE];
} __attribute__((packed));

另外,可以看到,在底层UWB设备的配置中,包含了FiRa标准中对于设备的详细定义要求,如会话ID、测距轮使用、多节点模式等等参数的定义。

/* UWB Device unicast configuration,具体参数含义需要结合芯片手册以及FiRa相关要求 */
struct fira_device_configure_s {
	uint8_t role;
	uint8_t enc_payload;
	uint32_t Session_ID;
	uint8_t Ranging_Round_Usage;
	uint8_t Multi_Node_Mode;
	uint8_t Rframe_Config;
	uint8_t ToF_Report;
	uint8_t AoA_Azimuth_Report;
	uint8_t AoA_Elevation_Report;
	uint8_t AoA_FOM_Report;
	uint8_t nonDeferred_Mode;
	uint8_t STS_Config;
	uint8_t Round_Hopping;
	uint8_t Block_Striding;
	uint32_t Block_Duration_ms;
	uint32_t Round_Duration_RSTU;
	uint32_t Slot_Duration_RSTU;
	uint8_t Channel_Number;
	uint8_t Preamble_Code;
	uint8_t PRF_Mode;
	uint8_t SP0_PHY_Set;
	uint8_t SP1_PHY_Set;
	uint8_t SP3_PHY_Set;
	uint32_t MAX_RR_Retry;
	uint8_t Constraint_Length_Conv_Code_HPRF;
	uint32_t UWB_Init_Time_ms;
	uint8_t Block_Timing_Stability;
	uint8_t Key_Rotation;
	uint8_t Key_Rotation_Rate;
	uint8_t MAC_FCS_TYPE;
	uint8_t MAC_ADDRESS_MODE;
	uint8_t SRC_ADDR[2];
	uint8_t Number_of_Controlee;
	uint8_t DST_ADDR[2];
   // 用于测距中STS生成的秘钥 
    uint8_t Vendor_ID[2];
    uint8_t Static_STS_IV[6];
};

1.2 UWBStack Lib

uwbstack_lib库部分,主要提供了FiRa协议相关参数等,其中相关参数、相关数据结构类型定义如下:

#define FIRA_HELPER_H

//主要为FiRa定义的相关会话参数
struct session_parameters {
	uint8_t device_type;
	uint8_t device_role;
  // 测距轮使用
	uint8_t ranging_round_usage;
  // ono-to-one, one-to-many, many-to-many
	uint8_t multi_node_mode;
	uint16_t destination_short_address;
	uint32_t initiation_time_ms;
	/**
	 * @slot_duration_rstu: 测距时隙周期,单位RSTU,FiRa中为1200 RSTU = 1ms
	 */
	uint32_t slot_duration_rstu;
    //每个round的时隙数
	uint32_t round_duration_slots;
	uint32_t block_duration_ms;
	// 是否使能多跳
	bool round_hopping;
    // 通道,5/9
	uint8_t channel_number;
	/**
	 * @preamble_code_index: Uwb preamble code index.
	 * BPRF (9-24), HPRF (25-32)
	 */
	uint8_t preamble_code_index;
	uint8_t rframe_config;
	uint8_t sfd_id;
	/**
	 * @vupper64: vUpper64 for static STS (STATIC_STS_IV | VENDOR_ID).
     *            8 Bytes
	 */
	u8 vupper64[FIRA_VUPPER64_SIZE];
	uint8_t rx_antenna_selection;
	uint8_t rx_antenna_pair_azimuth;
	uint8_t rx_antenna_pair_elevation;
	uint8_t tx_antenna_selection;
	uint8_t rx_antenna_switch;
	uint8_t aoa_result_req;
	uint8_t report_tof;
	uint8_t report_aoa_azimuth;
	uint8_t report_aoa_elevation;
	uint8_t report_aoa_fom;
    u32 data_vendor_oui;
};

struct controlee_parameters {
	/**
	 * @address: Controlee short address.
	 */
	uint16_t address;
};
// 受控端参数,FIRA最大受控端数为16,参数主要是受控端的u16短地址
struct controlees_parameters {
	/**
	 * @controlees: List of controlees.
	 */
	struct controlee_parameters controlees[FIRA_CONTROLEES_MAX];
	/**
	 * @n_controlees: Number of controlees in the list.
	 */
	int n_controlees;
};

enum aoa_measurements_index {
	FIRA_HELPER_AOA_AZIMUTH,
	FIRA_HELPER_AOA_ELEVATION,
	FIRA_HELPER_AOA_MAX
};
/* FiRa AoA 测量 */
struct aoa_measurements {
	uint8_t rx_antenna_pair;  //天线对索引
    uint8_t aoa_fom;  //本地AoA估计的质量
    int16_t aoa_2pi;  //估计接收角度
};

struct ranging_measurements {
    //...
};

struct ranging_results {
    //...
};

FiRa库相关涉及函数原型如下定义:

// 设置调度器,Fira域,调用时UWB MAC必须停止
int fira_helper_set_scheduler(void);
// 初始化FiRa会话,用于创建和初始化fira会话
int fira_helper_init_session(uint32_t session_id);
// 启动FiRa会话,port_id用于通知
int fira_helper_start_session(uint32_t session_id, uint32_t port_id);
int fira_helper_stop_session(uint32_t session_id);
// 释放会话分配的内存,必须在会话已经停止的情况下调用。即在stop_session后调用
int fira_helper_deinit_session(uint32_t session_id);
// 设置FiRa会话参数
int fira_helper_set_session_parameters(
	uint32_t session_id, const struct session_parameters *session_params);
// 特定FiRa会话中添加受控端
int fira_helper_add_controlees(uint32_t session_id,
			       const struct controlees_parameters *controlees);
int fira_helper_delete_controlees(
	uint32_t session_id, const struct controlees_parameters *controlees);
int fira_helper_parse_ranging_report(struct sk_buff *msg,
				     struct ranging_results *results);
int fira_helper_send_data(uint32_t session_id,
			  const struct data_parameters *data_params);

fira_region_params.h为FiRa域相关参数,包括设备类型(Controller或Controlee),设备角色(发起者、应答者)、ROUND使用方式(OWR、SSTWR、DSTWR)、模式(单播、一对多、多对多)、结果报告(AT_RESPONDER,AT_INITIATOR)、RF帧的模式(SP0、SP1、SP2、SP3,Qorvo主要是0,1,3,未支持2)、PRF模式等。

1.3 底层驱动实现

在本示例中使用nRF52833作为主控芯片,一方面需要实现DW3000的底层访问相关驱动的移植。

  • HAL_DW3000.c主要为针对Nordic平台的移植工作,包括中断处理等操作。
  • 注意:在代码中提到NRF芯片仅有1个IRQ用于所有的GPIO引脚,因此DW3000的(中断)irqN、(复位RST)rstIrqN均挂在GPIOTE_IRQn上,具体在中断函数中process_deca_irq处理,根据IRQ引脚的状态判断是IRQ中断还是RST中断。

另外,由于NI框架在实现中,需要使用BLE来实现与苹果设备的数据交换,即利用BLE实现OOB,在本示例中使用nRF52833相关蓝牙服务实现。

2. MAC层数据服务相关实现简介

从IEEE 802.15.4协议中,MAC层数据传输服务提供了三种数据传输的原语:MCPS-DATA.request、MCPS-DATA.confirm、MCPS-DATA.indication。
在本示例的实现中,依然按照相关框架来进行实现。

#incluce <net/mac802154.h>

struct ieee802154_hw {
	int extra_tx_headroom;
	u32 flags;
	struct device *parent;
	void *priv;
	struct wpan_phy *phy; //底层设备驱动
};


//头文件主要提供内容,包括ieee802154_hw的分配与释放
struct ieee802154_hw *ieee802154_hw_alloc(void);
struct ieee802154_hw *ieee802154_hw_free(void);

//struct dwchip_s在deca_interface.h中定义。
// IEEE 802.15.4 MCPS相关实现API接口
struct dwchip_s *dw3000_mcps_alloc(void);
int dw3000_mcps_register(struct dwchip_s *dw);
void dw3000_mcps_unregister(struct dwchip_s *dw);
void dw3000_mcps_free(struct dwchip_s *dw);
//芯片结构体,包括硬件抽象层(HAL)、驱动、MCPS已经接收结构体
struct dwchip_s
{   
    /*HAL*/
    struct dwt_spi_s *SPI; // first
    void(*wakeup_device_with_io)(void);

    /*Driver*/
    struct dwt_driver_s *dwt_driver;
    struct dwt_callbacks_s callbacks;

    /* driver configuration */
    struct dwt_mcps_config_s *config;

    /* MCPS */
    struct mcps802154_llhw *llhw;  
    struct mcps802154_ops *mcps_ops; //<net/mac802154.h>
    struct dw3000_calibration_data *calib_data;
    struct dwt_mcps_runtime_s *mcps_runtime;

    /* rx structure */
    struct dwt_mcps_rx_s *rx;

    /* GPIO used to switch off WIFI while transmitting, for example */
    int8_t coex_gpio_pin;
    int8_t coex_gpio_active_state;

    /** driver data*/
    void *priv; // last
};

当然,在当前Qorvo提供的示例代码中均对相关源码进行了封装,在后续的文章中,尽量从其实现的框架上来和大家一起来对其实现进行剖析。

/**
 *  mac层相关操作回调接口,包括启动、停止,同步,ED检测,设置信道,
 */
struct ieee802154_ops {
	struct module *owner;
	int (*start)(struct ieee802154_hw *hw);
	void (*stop)(struct ieee802154_hw *hw);
	int (*xmit_sync)(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb);
	int (*xmit_async)(struct ieee802154_hw *hw, struct sk_buff *skb);
    // 能量检测
	int (*ed)(struct ieee802154_hw *hw, u8 *level);
    // 通道设置
	int (*set_channel)(struct ieee802154_hw *hw, u8 page, u8 channel);
	int (*set_hw_addr_filt)(struct ieee802154_hw *hw,
				struct ieee802154_hw_addr_filt *filt,
				unsigned long changed);
    // 功率设置
	int (*set_txpower)(struct ieee802154_hw *hw, s32 mbm);
	int (*set_lbt)(struct ieee802154_hw *hw, bool on);
    // CCA模式,当前从相关注释来看并没有支持,cfg802154.h中struct wpan_phy_cca为空。
	int (*set_cca_mode)(struct ieee802154_hw *hw,
			    const struct wpan_phy_cca *cca);
	int (*set_cca_ed_level)(struct ieee802154_hw *hw, s32 mbm);
	int (*set_csma_params)(struct ieee802154_hw *hw, u8 min_be, u8 max_be,
			       u8 retries);
	int (*set_frame_retries)(struct ieee802154_hw *hw, s8 retries);
	int (*set_promiscuous_mode)(struct ieee802154_hw *hw, const bool on);
	void (*sw_scan_start)(struct ieee802154_hw *hw, __le64 addr);
	void (*sw_scan_complete)(struct ieee802154_hw *hw);
};

ieee802154_ops结构体来看,基本为标准IEEE 802154相关操作定义,在前面介绍的Linux相关UWB Stack实现中均会涉及。

相关术语

MAC,Medium Access Control,媒介访问控制,负责控制共享介质的访问方式和规则,保证多个节点间的通信能够有效地进行。
MCPS,MAC Common Part Sublayer,MAC公共部分子层,是整个MAC层的核心,提供数据传输服务。
MLME,MAC Layer Management Entity,为MAC层管理实体,提供管理服务。

Linux内核 IEEE 802.15.4规范相关实现,头文件定义:mac802154.h。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-725087.html

到了这里,关于UWB NI框架嵌入式实现——Qorvo示例的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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