基于UWB技术的无线透明传输模块组设计

刘 冰，张睿全，李亚群，王颖，付 平

(1.哈尔滨工业大学 自动化测试与控制研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引 言

目前常用的工业数据通信总线包括CAN总线、RS232总线和MILSTD1553B等[1]，此类有缆数据通信总线经过多年的实践应用[2-3]，在可靠性、实时性和安全性设计方面积累了较好的技术经验。但是在实际应用过程中，传统的基于有缆方式的数据通信总线在线缆布局、快速维护以及应用成本等方面体现出诸多的不足与不便。在受限的空间和频段范围内，高效且可靠地实现设备间的无线数据传输是现代工业控制和国防建设领域关注的新焦点[4-5]。在此背景下，与现有有线通信设备能够形成优势互补的无线透明传输模块组研制成为关键问题。

透明传输设计中[6-8]，上层设备不需要关注下层协议，在整个信息传输过程中，不改变传输数据的内容和属性，有利于实现与现有的工业控制模块无缝衔接。近年来，以ZigBee、Bluetooth、Wi-Fi等短距离无线通信技术为代表的透明传输技术不断发展，但大多基于2.4GHz频段[9-10]，在受限的空间和频段条件下易受干扰，且ZigBee等无线方式的传输速率也有一定的局限性。UWB作为一种超宽带无载波通信技术[11-12]，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，是一种在军事领域应用广泛的高性能无线通信技术，适合在受限空间频段内进行无线数据透明传输设计。

本论文以高效可靠的数据无线透明传输为目标，设计了一种基于UWB的无线透明传输原理样机，相比于传统的有线传输模块，其抗干扰性和传输速率能力更强，模块组采用低功耗DW1000芯片作为UWB信号收发器[13]，以FPGA为主控芯片实现无线通信适配器模块组的接口设计以及对DW1000芯片的驱动程序设计[14]，完成了宽波束小型化微带天线设计[15-16]，极大提高了模块组的可靠性、易维护性和一体化程度。

图2 UWB无线透明传输模块系统框架设计

1 系统框架设计

如图1所示，本文设计的无线透明传输模块组由M模块和S模块构成。通过S模块将RS232发送端的数据转换为UWB无线数据帧，再通过M模块接收无线信号，并进行数据解码，将获得的数据发送给RS232接收端。经过以上步骤，数据通过UWB透明传输模块组成功收发，完成基于UWB技术的无线透明数据传输的原理样机实验验证。

图1 WB无线透明传输原理样机实验

本设计的整体系统框架如图2所示，通过片上可配置的接口逻辑控制模块，与原有的RS232设备进行连接，模拟原有线传输方案的时序逻辑，进行缓存数据的收发。传输数据通过Qsys系统从接口逻辑端挂载到Avalon数据总线上，利用NIOS II 软核对数据开展重组和解析处理，并通过SPI总线对UWB无线芯片DW1000进行参数配置，以及控制指令和数据帧的交互。最终将数据通过射频芯片的差分信号线输出至设计的宽波束小型化微带天线端。电源转换芯片提供各芯片所需的标准电压，保障系统正常工作。

综合考虑性能指标和实际可操作性，选择DecaWave公司的DW1000芯片作为UWB模块组的无线收发端，其支持3.5GHz到6.5GHz的6个工作频段，无线传输速率最高达到6.8Mbps，并支持1023字节的大容量数据扩展帧的传输，通过SPI总线与主控机进行通信，满足设计要求。综合考虑逻辑资源，性能参数、数据接口可扩展性和安全性等需求，模块的主控芯片选择了Altera 公司的MAX10系列M08SCE144I7G的非易失集成性FPGA。

2 系统硬件设计

本次设计使用Altium Designer进行原理图和PCB的硬件开发，以MAX10系列FPGA以及DW1000无线芯片作为核心元件，主要包括FPGA与DW1000芯片的控制电路、无线射频电路、数据节点及中心程序控制器接口电路以及宽波束小型化微带天线等。

2.1 RS232接口电路设计

RS-232是美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准，全称是EIA-RS-232(简称RS232)，被广泛用于计算机串行接口外设连接，其DB9的接口针脚定义如表1所示。

表1 RS232接口定义

图3 RS232串行接口原理图设计

如图3所示，使用SP3232电平转换芯片将信号转为TTL电平，并将数据信号引入FPGA主控芯片进行下一步的处理，完成UWB无线传输模块到RS232串口的接口硬件电路设计。

2.2 FPGA主控电路设计

如图4所示，FPGA主控芯片与DW1000通过SPI总线相连，无线射频模块工作时所需要的控制信号如使能信号，数据收发格式，工作模式配置等由MAX10系列FPGA提供，并且通过SPI接口与FPGA进行数据传输。FPGA作为整个UWB无线透明传输模块系统的核心控制元件，负责完成与无线射频的时序逻辑，与数据节点和中心程序控制器的读写时序逻辑，完成对整个系统的控制，达到无线数据透明传输的目的。

图4 FPGA主控电路设计

FPGA选择工业级的MAX10M08SCEI7G，采用3.3V单电压供电，减少对外部供电电源的要求，内部带有378Kb的M9K存储器和1376Kb闪存，能够满足大部分应用对存储空间的需求，不需要外部挂载EPCS配置芯片，安全性更高；自带有2个高精度锁相环，支持对时钟信号的分频倍频，同时内部支持嵌入NIOS II 软核处理器，可以方便地将不同的系统模块连接在一起，增加了系统的可扩展性和灵活性。采用50MHz有源晶振提供FPGA全局时钟CLK，系统内存和软核程序运行空间选择256M的SDRAM芯片HY57V2562GTR。FPGA自身的并行性非常适合进行通信设备高速接口电路设计和信号处理工作，有利于提升整个UWB无线透明传输系统的工作能力。

2.3 无线射频电路设计

在受限的空间和频段范围内进行无线数据的透明传输，且需要保证对空间内已有频段，如常用的2.4 G频段不产生电磁干扰，保证长时间工作的稳定性，因此选择DW1000芯片进行无线射频信号的产生。DW1000芯片具有在3.5～6.5 GHz的6个工作频段，基本不与目前常用通信频段重叠，且发射功率小，具有良好的隐蔽性和抗截获性能，非常适合于军事通信。其带宽大，可选择500 M和1000 M两种模式，传输速率速率可配置为110 Kbps，850 Kbps和6.8 Mbps，DW1000芯片还具有低功耗的特性，睡眠模式电流仅为1uA，深度睡眠模式下仅为50nA，可以满足长时间稳定工作的需求。

根据2008年下半年,信息与工业化部对我国UWB设备的预开放频段进行的公示，频段包含：4.2～4.8 GHz和6～9 GHz两种。因此在可用频段范围内，选择6.5 GHz作为本次无线传输模块组设计的中心频段，以500 M的带宽和6.8 Mbps的速率进行通信。因此，本次无线射频电路部分的设计如图5所示，其中DW1000芯片通过SPI_CLK，SPI_CSn，MOSI，MISO四根信号线与FPGA主控机进行控制信息和数据的交互。SPI_CLK由FPGA提供，其外部38.4 MHz晶振用于芯片内部产生射频信号。

图5 基于DW1000芯片的无线射频电路设计

在PCB布局设计时，射频线走线尽可能短，避免阻抗不连续，向DW1000芯片的RF_N和RF_P引脚提供100 Ω 的差分阻抗，使用宽带平衡-不平衡转换器HHM1595A1将100 Ω 的差分阻抗转换为50 Ω，连接至单端宽波束小型化微带天线。

综合以上硬件原理图电路设计，经过PCB绘制及焊接，最终得到如图6所示的UWB无线透明传输模块组。

图6 UWB无线透明传输模块组实物图

2.4 宽波束小型化微带天线设计

设计方案采用矩形贴片微带天线，馈电方式为同轴探针馈电。设计出在6.5 G中心频段附近满足反射系数小于-10 dB，天线驻波比始终小于2的模块组天线，天线结构如图7所示。其驻波比如图8所示。

图7 模块组微带天线结构设计

图8 天线驻波比仿真设计

并且根据仿真设计的天线辐射方向图，如图9所示，为两个相互垂直的平面，由此可看出天线的波束较宽，能够辐射整个天线上半球，满足板式微带天线，至少180度全覆盖的要求，能够较好达到设计要求。

3 系统固件及程序设计

系统程序主要完成基于FPGA的固件架构设计、接口部分的数据传输控制、NIOS软核对UWB无线芯片初始化和收发控制以及无线数据帧和有线接口数据的格式转换，并满足实际要求的延时条件，保证UWB无线透明传输模块组的正常工作。本次系统固件及程序设计基于Qsys片上系统，设计框图如图10所示。

以自定义IP核Avalon_FIFO、SPI模块以及NIOS II软核作为程序处理的核心。其中50MHz的系统主时钟和高低速SPI等模块所需要的时钟由片上有源晶振通过FPGA内部PLL产生，接口模块读写时序分别由硬件描述语言Verilog编写逻辑和中心程序控制器提供。

3.1 基于FPGA的固件架构设计

图9 天线E/H平面增益图设计

图10 基于Qsys的片上固件设计框图

透明传输设计即上层设备不需要关注下层协议，只需按照一定的接口时序逻辑，即可在无线透明传输模块组中完成数据的收发工作。在整个信息传输过程中，不改变传输数据的内容和属性，有利于与现有的工业控制模块无缝衔接，提升产品应用效率，降低设备改造成本，扩大应用范围。基于以上透明传输思想，为了接口设计的灵活性和高效性，整个系

图11 系统顶层固件设计

统基于FPGA硬件进行设计，搭建基于NIOS II软核的Qsys系统，并挂载所需功能模块，本次设计中，Qsys系统内的功能模块可灵活地添加或删除，极大地提升了模块组的可扩展性。在对应的外部传输条件改变时，只需要针对地对固件中的某些功能模块进行改动，即可实现数据传输的无缝衔接，外部设备无需为配合无线射频模块做出程序上的修改，极大简化了现有设备对无线数据传输功能的升级要求，从而实现基于UWB技术的数据透明传输。

其中，以UWB无线透传发送模块S的顶层固件架构设计为例，如图11所示。包含接口逻辑模块和片上Qsys系统以及对DW1000无线芯片及外围电路的控制管脚。UWB无线透传接收模块M的接口逻辑部分有修改，顶层设计与S模块设计思想一致，在此不再赘述。

3.2 无线通信适配器模块组的接口设计

UWB透明传输模块组的接口设计与RS232串口的接口时序一致，本次设计使用了RS232通信中常用的配置，即八个数据位、无奇偶校验位以及一个停止位。如图12所示，按照一个完整的字节包括一位起始位、8位数据位、一位停止位。发送模块需要十一个波特率时钟脉冲完成一组数据的发送，RS232接收端则在每一位数据的中间点进行采样，接口接收和发送模块设计如图13所示，波特率可配置，配合相应的数据输入输出的控制模块，实现了与RS232设备的数据收发功能。

图12 RS232接口数据发送时序逻辑

图13 RS232接口模块设计

3.3 DW1000无线芯片控制程序设计

DW1000作为DecaWave公司推出的一款基于UWB信号的无线芯片，其与外部主控芯片的交互通过SPI协议进行。在FPGA上采用NIOS II软核进行芯片发送接收程序的设计更符合顺序执行程序的开发习惯，为原理样机的开发节约时间成本。

无线透明传输模块组具备对接收数据进行解析及重组数据包的能力，解析重组后缓存，等待中心程序器的读取，并且无线发送模块S到无线接收模块M之间无线数据传输含帧计数标志，经判断丢包或误码后，能够进行至少三次重传，直至正确，根据以上设计思路进行了DW1000无线芯片控制程序的开发，调用芯片的底层驱动函数，并针对芯片寄存器进行了相应操作完成了功能设计。并编写针对FPGA和DW1000通信的SPI驱动，实现了NIOS II软核对无线射频模块的控制。其接收和发送的简要流程设计如图14所示。

3.4 无线数据帧处理程序设计

针对具备频段内信道编码能力，信道带宽不低于20 MHz，要求抗干扰能力强、信号频谱利用率高，并且尽可能增强设备纠错能力，减少受限的空间内复杂电磁环境对无线链路的干扰影响的需求。对UWB无线数据桢进行了相应处理，其中IEEE 802.15.4-2011 UWB标准桢最高可承载127字节的有效负载，通过PHR_MODE的选择位使能DW1000支持非标准操作模式，扩展桢长度位1023字节，提升单次传输的效率。

图14 无线传输发送和接收端简要流程设计

其中，根据DW1000提供的数据手册，无线数据帧格式如图15所示，其中，前导码(Preamble)和SFD(桢起始标志符)共同组成桢同步头(SHR)，后面紧跟着物理层帧头(PHR)和有效数据负载。因此在将数据写入和读出芯片时应将数据按标准格式进行重组和解析，完成有效数据的提取，成功实现无线数据帧与RS232有线数据格式的转化。

图15 UWB无线数据桢格式

4 实验测试

将Quartus固件工程文件.sof文件，Eclipse生成的.elf文件烧写入FPGA中，进行无线通信的功能调试。在实验室条件下，制作了两块测试板用来RS232接收和发送端的功能，将其连接至UWB透明传输模块，验证无线透明传输模块的接口功能。经过如图16的实验测试，使用串口助手观察到RS232发送端发送的数据经过UWB无线模块传输后，在接收端成功接收，且数据与发送端一致，成功实现了无线透明传输功能。

图16 无线透明传输验证实验

如表2所示，UWB透传模块成功实现了RS232接口的无线传输功能，本次实验基于DW1000信道5进行测试，即中心频段为6.5 GHz，带宽为500 M，传输速率设定为6.8 Mbps，在实验室环境下进行了初步的距离测试，约为40 m，远超受限空间内10 m左右的距离要求，对本次无线传输的发送端和接收端的数据帧进行分析对比，结果表明，本次无线传输的数据一致，未发生数据误码。证明了UWB无线透明传输模块组原理样机设计的正确性和可行性。

表2 UWB无线透明传输模块组功能测试

在上述实验基础上，针对DW1000芯片在发送端和接收端的实际功耗和理论功耗进行了测试，测试结果如表3、4所示。结果表明，在本次设计中DW1000芯片的实际功耗与芯片手册中的理论值相比略有提升，原因应该是电源转换芯片效率的问题导致实际功耗略微增加。

表3 DW1000芯片发送端功耗测试

此外，本文还针对设计的模块组进行了整体功能正常运行后的实际功耗测试，测试结果如表5所

表4 DW1000芯片接收端功耗测试

示。结果表明，无线传输模块组原理样机实际功耗较低，满足常见低功耗场景需求，具有较好的应用前景。

表5 无线传输模块组实际功耗

5 结 语

本文设计了一种基于UWB的无线透明传输模块组原理样机，以FPGA为主控芯片实现了无线通信适配器模块组的接口设计以及DW1000芯片的驱动程序设计，完成了宽波束小型化微带天线设计。在上述设计基础上，实现了基于UWB技术的无线透明传输功能，设计的频段，速率和距离指标均符合需求。最后通过实验对发送端和接收端传输数据进行了对比，验证了透明传输模块的硬件和软件程序设计的可行性 。本文的研究成果丰富了无线透明传输技术的技术手段，提供了一种抗干扰性强、传输速率高、带宽高的无线透明传输模块组设计方法。