CANoe 携手物联网：超带宽 UWB 技术全解析

UWB（Ultra - Wide Band，超宽带）作为一种先进的无线通信技术，利用极宽的频谱（通常超过 500 MHz）来实现高精度的测距和定位。这项技术最初主要服务于军用雷达系统，随着频谱资源的逐步开放以及民用市场对高精度定位需求的不断攀升，自 2019 年起，UWB 技术开始在消费电子、汽车、工业、智能家居、医疗等众多领域广泛普及。

在汽车行业，UWB 技术的应用场景十分丰富：

数字钥匙（Digital Key）：当车主携带支持 UWB 功能的手机或 UWB 钥匙靠近车辆时，系统能够自动识别并解锁。与传统的 BLE 或 NFC 技术相比，UWB 不仅抗干扰能力更强，而且定位精度可达到厘米级。它还能准确判断钥匙是在车内还是车外，有效防止 “中继攻击”（Relay Attack）。目前，主流的手机品牌都已经支持 UWB 功能，为车主带来更加便捷和安全的使用体验。

智能泊车辅助：UWB 可实现车辆与停车场基础设施之间的高精度通信，从而完成自动泊车、车位引导、车位识别等一系列功能，大大提高了停车的效率和便利性。

车内人员定位与交互：该技术能够实时定位车内乘客，精确感知不同座位上人员的存在与位置。凭借其高精度的感测能力，还可以探测到诸如呼吸或熟睡儿童心跳等微小动作，实现儿童遗留检测（CPD），为车内人员的安全提供了有力保障。

手势与动作控制：用户可以通过挥手实现切歌、调节音量等操作，也能通过感知脚在保险杠下方的特定踢动轨迹来实现脚踢感应开启尾门，使车辆的操作更加智能化和人性化。

辅助电动汽车充电：用于确定充电基础设施与汽车的相对位置，并引导驾驶员使用手动充电器。UWB还可以用于自动解锁、打开、关闭和锁定充电盖。在电动汽车无线充电时，UWB还可以用于辅助汽车底部的磁性线圈与充电板中的充电线圈对齐。

UWB工作方式

UWB 在通信时使用约 2ns 的脉冲进行数据传输，这种短时间脉冲特别适合高精度定位和低功耗通信。

在时域中，它表现为一个持续时间极短的尖峰，经过傅里叶变换后，在频域中会展开成一个非常宽的频率范围。这种宽频率特性保证了很高的时间分辨率以及很强的抗干扰能力，并且在多路径传播时可以精确分离反射信号。根据工信部 2024 年发布的《超宽带（UWB）设备无线电管理暂行规定》，中国允许的 UWB 工作频率范围是 7.163GHz 至 8.812GHz。

UWB在测距时支持多种方式，各种方式适用于不同的应用场景和精度要求。这些测距方式根本的共同点是基于飞行时间来计算距离。通过测量无线电信号从一个设备传播到另一个设备所需要的时间（即飞行时间ToF），然后基于ToF*光速来计算距离。不同方法的区别在于如何精确地测量出这个飞行时间，并消除时钟不同步带来的误差。

其中SS-TWR只需要一次往返通信，并且发起者和响应者不需要严格的时间同步，很适合移动设备的快速测距。下面以SS-TWR测距方式为例来看下UWB的测距原理。该方法主要用于两个设备（发起者和响应者）之间的距离测量，其核心是通过一次往返通信来估算距离。测距流程如下：

1.发起者发起测距请求。发起者向响应者发送一个测距请求消息，并记录发送时间T1。

2.响应者收到请求并回复。响应者接收到消息后，记录接收时间T2。然后发送一个响应消息，并记录发送时间T3。

3.发起者收到响应消息，并记录接收时间T4。

4.发起者可以根据上述时间戳计算出往返时间

根据信号传播速度（约等于光速）计算距离

UWB命令接口

UCI（UWB Command Interface，UWB 命令接口）是 UWB 技术的关键组成部分，用于在主机（Host）和 UWB 控制器之间进行通信。

在没有UCI标准之前，不同芯片公司的UWB芯片使用自己的命令来控制测距、数据传输等功能。这严重限制了UWB技术的普及和应用生态的建立。于是FiRa Consortium在2020年 建立了UWB技术的基础规范，其中就包括UCI的初始版本，确保各类主机设备（如手机、电脑）能够通过统一的命令集与UWB芯片进行交互。通过UCI与芯片交互时主要使用以下几个功能组：

UWB测试硬件VH4110

随着物联网协议在汽车领域的广泛应用，CANoe中的Option Connectivity用于UWB、NFC、BLE、WLAN/LAN等物联网协议的仿真、分析和测试，并推出了配套硬件设备VH4110（又称IoT Enabler）用于多种无线通信协议的解析与交互。VH4110可以作为基于IP通信的路由器，将CANoe与被测件通过WLAN/LAN进行本地连接，也可以使用非IP通信的无线通信（例如UWB、BLE、NFC）技术与被测件连接。

VH4110通过USB Type-C连接到运行CANoe的主机上。其传输的数据仅与CANoe进行交互，用户在主机上不需要特殊的网络权限或者修改防火墙配置。使用时无需安装驱动。VH4110提供4个USB接口，用于插入对应的USB适配器进行无线通信。

在 CANoe 中的配置方面，vCDL（Vector Communication Description Language）是 CANoe Communication Concept 中用于描述通信对象的语言，以简单的语法定义和配置分布式对象（Distributed Objects，DO）。创建并在 CANoe 中加载 UWB 通信对应的 vCDL 文件后，通过 VH4110 跟被测件交互的无线协议报文会以 DO 的方式呈现，用户既可以直接使用 CANoe Application Panel，也可以使用编程语言（CAPL、C# 、Python 等）在 CANoe 中对被测件进行无线协议测试。具体配置步骤如下：

1.VH4110 需搭配 UWB 适配器使用，当前支持的适配器型号包括 Qorvo DWM 30001 CDK 和 NXP Trimension SR150。将适配器通过 UWB 线束连接到 VH4110 上。

2.打开 UWB 示例工程（可发送邮件到 support@cn.vector.com 告知使用的 UWB 适配器型号并索要工程）。

3.打开Simulation—Communication Setup可查看工程使用的CAPL脚本及vCDL文件。 其中UWB命令接口基于vCDL文件编写。收发的数据的序列化及反序列化以及发送的命令参数通过CAPL实现。

4.如需修改UWB收发数据的序列化及反序列化或者UWB命令参数可以打开*.can文件进行修改。

5.按需求编辑完成后，即可运行工程。依次执行Panel上的“Open UART device”、“Init Session”、“Config Responder”、“Config Ranging”、“Start Ranging”可开启测距功能。UWB通信的内容会显示在Trace窗口中，以便查看和分析。

6.在Application Panel可以看到UWB接口中可供调用的Method，在给需要调用的Method填入参数后，通过点击Call即可发出相应的命令。如果需要完成自动化的流程，也可以使用编程的方式调用这些命令。

UWB 技术凭借其高精度定位、低功耗通信等优势，在汽车行业以及其他众多领域展现出了巨大的应用潜力。随着技术的不断发展和完善，UWB 有望为人们的生活带来更多的便利和创新。