一、功能介绍

CW32W031 读取 RSSI 功能是指在芯片接收到数据时，读取当前数据包的信号强度值的功能。RSSI 的计算分为两步，即计算 SNR 与计算 RSSI。在收到 RX_IRQ 信号之后，通过读取寄存器中的信号能量 （sig_pow_avg）以及噪声能量（noi_pow_avg）来计算 SNR，并根据当前带宽值 BW 等参数，计算最终信 号强度值 RSSI。

二、软件设计参考

2.1 编程示例 

1. 芯片初始化； 

2. 配置相关参数； 

3. 芯片进入接收模式； 

4. 芯片接收数据，并计算 SNR、RSSI 值。

2.2 软件设计验证 

参照 CW32W031 例程库中接收模式的代码。 

2.2.1 SDK 示例 

参考代码：

示例代码配置了连续接收模式，并在接收到数据后，将接收到的数据内容及 SNR、RSSI 值打印出来。

PAN3028 中 断 处 理 函 数 中， 当 芯 片 接 收 到 数 据， 产 生 REG_IRQ_RX_DONE（RX_IRQ） 中 断 时， 通 过 PAN3028_get_snr 和 PAN3028_get_rssi 接口函数计算并读取当前数据包的信号强度值。

2.2.2 验证结果 串口助手显示结果为：

三、注意事项 

3.1 关于 RSSI 

RSSI 功能读取信号强度值需要在接收到数据包的时候读取，且在清除 rxdone 中断之前。如果清除中断，这 个值就会失效。

RSSI 的测量范围是 -40 到 -130，不同参数（SF、BW）模式下，测量范围略有不同。 

3.2 关于 LNA 模块支持切换 LNA 增益，支持高增益和低增益两种模式。目前 SDK 默认使用高增益模式。 

当切换至 LNA 低增益时， 

1. LNA 低增益模式会比 LNA 高增益模式灵敏度差 3dB； 

2. 非 DCDC 模式下，RX 电流会降低 1.2mA； 

3. 在有干扰的环境中，LNA 低增益会比 LNA 高增益传输距离更远更稳定。

机器人的应用越来越广泛了，大家熟知的稚晖君直接创业搞机器人，可想而至，接下来的十年，机器人绝对是热门的行业。

目前市面上很多机器人都是基于一套叫做ROS的系统开发的，今天就给大家分享一个跑在MCU上，基于FreeRTOS的轻量级（micro）ROS。

随着市场需求不断的扩大，这种基于MCU的ROS将会越来越普及，对于从事机器人相关工作的读者有必要了解一下。

关于ROS

ROS：Robot Operating System,，即机器人操作系统。

和普通OS（RTOS、TSOS）不一样的是，ROS主要是针对机器人，是基于操作系统之上，提供一系列程序库和工具以帮助软件开发者创建机器人应用软件。它提供了硬件抽象、设备驱动、库函数、可视化、消息传递和软件包管理等诸多功能。ROS遵守BSD开源许可协议。

ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即ROS是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。

micro-ROS

本文说的micro-ROS，是基于ROS2进行优化的一套轻量级ROS系统，它提供了完全部署的ROS 2生态系统的大多数吸引人的工具和功能，并具有入式和低资源设备的卓越能力，可以运行在MCU硬件平台。

传统上，即使机器人包含许多ROS，ROS仍停留在微控制器边界。它们通常通过串行协议与旧版ROS中的ROS-serial之类的工具集成在一起。

在微控制器中拥有所有ROS2的功能和相同的API会不是很好吗？这正是micro-ROS提供的-机器人系统嵌入式部分内部的ROS开发生态系统。micro-ROS允许开发人员在硬件级别附近运行ROS 2节点。这使所有硬件外设都可用于该应用程序，从而使其能够直接与SPI或I²C等低级总线进行交互，以与传感器和执行器接口。

微型ROS是一组分层的库，它们可以直接重用ROS 2的库，也可以使其适应资源受限设备的功能和需求。具体来说，如果我们转向ROS 2体系结构，则由微型ROS维护的层是ROS客户端库（RCL）和ROS中间件接口（RMW）。同样，RCLCPP是RCL之上的C ++抽象层，即使大多数与RCL直接接口，它也可以被微型ROS应用程序组件使用。该层在RCLC中提供了相对于ROS 2的附加功能，RCLC是用C99编写的库，其中专门设计和开发了与RCLCPP提供的功能类似的功能，例如便利功能或执行程序，以适合微控制器。 

通常，ROS是基于 Linux系统之上的运行的一套系统，而本文这套微型ROS基于FreeROS运行。

这使micro-ROS在硬件和软件级别上都能与大多数嵌入式平台兼容。
但是，最终构成micro-ROS体系结构的是RMW实现，该实现基于称为Micro XRCE-DDS的中间件库。Micro XRCE-DDS是由对象管理组（OMG）定义和维护的DDS-XRCE（用于极端资源受限环境的DDS）协议的C / C ++实现。

顾名思义，DDS-XRCE是一种有线协议，允许引入以数据为中心的发布者-订阅者DDS模型进入嵌入式世界。DDS-XRCE依赖于客户端-服务器体系结构，其中客户端是用C99编写的轻量级实体，可在低资源设备中运行，而代理（C ++ 11应用程序）则充当客户端与DDS世界之间的桥梁。DDS-XRCE协议负责在这两个实体之间传递请求和消息。相应地，该代理能够通过标准DDS有线协议与DDS全局数据空间进行通信。在DDS世界中，代理通过与其他DDS参与者进行通信来代表客户。该通信由客户端代理，能够通过所有标准DDS实体与DDS进行交互的模拟DDS应用程序进行协调。代理将客户端的状态保存在其内存中，这样，即使代理断开连接，代理也可以存活。代理与客户端之间的通信遵循请求-响应模式，即双向并基于操作和响应。

为什么选择FreeRTOS？

由于它们的轻巧性，XRCE-DDS客户端库和microROS都易于在实时操作系统之上运行，这使它们能够满足其典型目标应用程序所提出的对时间要求严格的要求，其中涉及的任务包括要求时限或确定性响应。

具体来说，FreeRTOS已成为micro-ROS项目支持的首批RTOS之一，因此已集成到其软件堆栈中。这允许重用FreeRTOS社区和合作伙伴提供的所有工具和实现。由于微型ROS软件堆栈是模块化的，因此期望并期望交换软件实体。

FreeRTOS是开发micro ROS和Micro XRCE-DDS应用程序的理想选择。首先，它为许多不同的体系结构和开发工具提供了一个独立的解决方案，它以非常清晰和透明的方式编写，并且拥有非常庞大的用户群，从而确保了大量FreeRTOS用户将能够将其应用程序与微型ROS应用程序集成。而且，它是众所周知的高度可靠的RTOS。至关重要的是，FreeRTOS具有最小的ROM，RAM和处理开销。通常，RTOS内核二进制映像的大小在6K到12K字节之间。由于要与RTOS进行资源竞争，因此，当要最小化MCU上的微型ROS应用程序的内存占用量时，这些内存是理想的选择。

在下文中，我们将讨论FreeRTOS提供的几种功能，以及微型ROS如何利用它们来获利，以优化其堆栈中组成的不同库的所需功能。

任务和计划程序

FreeRTOS提供了一组最少的任务实体，这些实体与调度程序的使用一起，为在应用程序中实现确定性提供了必要的工具。微型ROS客户端库（RCL，RCLC和RCLCPP）访问RTOS的资源，以控制调度和电源管理机制，从而为开发人员提供了优化应用程序的可能性。

FreeRTOS提供的任务有两种：标准任务和空闲任务。前者由用户创建，可以视为RTOS上的应用程序。至关重要的是，将微型ROS应用程序集成到RTOS中作为具有给定优先级的此类任务之一。空闲任务另一方面，优先级较低的任务只有在没有其他任务在运行时才进入运行模式。由于microROS主要针对低功耗和IoT设备，因此这些空闲任务和相关的空闲挂钩非常适合在MCU中启用深度睡眠状态。由于将无状态XRCE-DDS客户端实现为micro-ROS中间件，因此这些深度睡眠状态可能是内存易失的，也就是说，由于面向连接的中间件有线协议，可以使用没有RAM持久性的深度睡眠模式。

使用FreeRTOS调度程序，micro-ROS能够管理其主要任务以及负责传输层的任务的优先级。通常，负责网络堆栈或串行接口的任务必须优先于micro-ROS应用程序。

内存管理

FreeRTOS提供的最令人期望的功能（对于微型ROS开发人员和用户而言非常有趣）是堆栈管理和静态堆栈创建能力。在处理micro-ROS的任务创建时，通常，堆栈分配是关键的设计决策。FreeRTOS允许进行细粒度的堆栈大小管理，这又使程序员可以知道在程序执行期间正在使用多少堆栈内存，或例如确定堆栈内存分配是否存在于静态或动态内存中，从而确定帮助正确使用MCU的内存，这是嵌入式系统中的宝贵资源。至关重要的是，可以为微ROS提供繁重的堆栈使用方任务，并为其分配静态分配的堆栈，从而防止将来出现堆和其他任务初始化问题。

在这方面，值得一提的是，这些内存管理工具为基准化微型ROS和XRCE-DDS的内存占用量提供了理想的框架。具体而言，已进行了彻底的堆栈消耗分析，以评估XRCE-DDS客户端内存消耗。堆栈是程序员在运行应用程序之前未知的内存块。为了对其进行度量，可以使用FreeRTOS uxTaskGetStackHighWaterMark（）函数，该函数返回在执行过程中XRCE-DDS任务堆栈达到最大值时未使用的堆栈量。通过将此值减去总堆栈，可以得到XRCE-DDS应用程序使用的堆栈峰值。用这种方法获得的结果汇总在此处发布的报告中。

我们还注意到，由于FreeRTOS中使用了可插拔的动态内存管理方法，因此micro-ROS能够完成所需的用于管理内存的接口。通过这种方式，已经使用heap_4作为参考实现了诸如calloc（）或realloc（）之类的函数。这些功能在馈入micro-ROS内存管理API之前已被包装，以便分析动态内存消耗。

与静态内存情况类似，FreeRTOS的可交换动态内存管理方法使在嵌入式系统中执行动态内存配置文件分析特别容易。的确，尽管在其他RTOS中，动态（取消）分配功能隐藏在RTOS或标准库的深处，但在FreeRTOS中，它们暴露给用户并易于定制，因此简化了处理和控制动态内存使用的过程。

传输

与客户端支持库访问FreeRTOS的特定原语和功能（例如调度机制）的方式相同，中间件实现Micro XRCE-DDS要求访问RTOS的传输和时间资源以使其正常运行。关于IP传输，在FreeRTOS的特定情况下，Micro XRCE-DDS使用在此RTOS上实现lwIP的附件。lwIP（轻型IP）是为嵌入式系统设计的，广泛使用的开源TCP / IP堆栈，旨在减少资源使用，同时仍提供完整的TCP堆栈。这使得lwIP的使用特别适用于以micro-ROS为目标的嵌入式系统和资源受限的环境。

除了TCP / IP堆栈，lwIP还有其他几个重要部分，例如网络接口，操作系统仿真层，缓冲区和内存管理部分。操作系统仿真层和网络接口允许将网络堆栈移植到操作系统中，因为它提供了lwIP代码和操作系统内核之间的通用接口。

FreeRTOS与lwIP 的集成是从头开始设计的，具有标准且熟悉的接口（伯克利套接字），并且具有线程安全性，旨在使其尽可能易于使用。而且，它可以将缓冲区管理保留在可移植层中。

请注意，XRCE-DDS客户端还支持FreeRTOS + TCP网络堆栈。FreeRTOS + TCP是用于TCP / IP堆栈协议支持的官方FreeRTOS扩展库。

还努力使FreeRTOS + TCP与micro-ROS兼容。这包括对TCP和UDP连接的支持，它们依靠FreeRTOS + TCP API来实现micro XRCE-DDS Client API所要求的抽象层，以便能够使用这些协议与代理进行通信。

此外，还存在使用FreeRTOS的时间测量功能的可能性，从而使XRCE-DDS库能够执行基于时间的任务，从而使用户看不到实现。

Posix扩展

允许将FreeRTOS无缝和盈利地集成到micro-ROS中的另一个显着原因是POSIX扩展的可用性。便携式操作系统接口（POSIX）是IEEE计算机协会为维护操作系统之间的兼容性而指定的一系列标准。FreeRTOS Labs提供的FreeRTOS + POSIX层实现了POSIX API的子集。

确实，尽管micro-ROS中间件具有较低的POSIX依赖关系（只是clock_gettime（）函数），但整个micro-ROS堆栈具有与功能和类型定义相关的更高依赖关系。另外，由于微型ROS项目的基本原理之一是移植或重用Linux（主要是POSIX兼容操作系统）中本机编码的ROS 2的代码，因此使用了某种程度上可与Linux兼容的RTOS。POSIX显然是有益的，因为代码的移植工作量很小。

为此，使用了sleep（）和usleep（）之类的函数。micro-ROS的POSIX类型定义依赖项依赖于FreeRTOS内核中未定义的某些结构，例如struct timeval或struct timespec。还需要诸如type.h，signal.h或unistd.h之类的文件来定义一些标准的类型定义和结构。

对于errno.h，尽管在FreeRTOS + POSIX层中未实现，但出于编译目的，micro-ROS必须包括一些不可用的定义。

通过使用FreeRTOS + FAT库，应在micro-ROS堆栈中重构这些定义，以使FreeRTOS + POSIX具有完全的兼容性。这样，可以完全支持依赖文件系统支持的高级micro-ROS功能，例如日志记录机制。

更多相关教程

如何在FreeRTOS上使用Olimex STM32-E407评估板创建和运行第一个微型ROS应用程序：

一、功能介绍 

CW32W031 的射频部分支持 CAD 中断。从 Deepsleep 进入 STB3，开启 CAD 功能并进入 RX 模式后， CW32W031 会检测信道中是否会有 ChirpIOT ™信号 , 如果存在将 CAD-IRQ 置高，MCU 内核可以通过一定的时间来检测 CAD-IRQ 信号是否拉高来判断信道中是否存在 ChirpIOT ™信号。

用户可通过 GPIO11 端口检测 CAD-IRQ 信号，信号检测流程如下：

图：信道活跃检测（CAD）

注：CW32W031 的 RF 部分有多种中断源，MCU 超时设置是在等待中断的产生，然后判断中断是否为 CAD 中断，从而执行不同的命令。

二、软件设计参考 

2.1 软件设计流程 

1. 芯片初始化； 

2. 配置 CAD 初始化； 

3. 芯片进入接收模式； 

4. 观察 CAD-IRQ 信号。 

2.2 软件设计验证 

2.2.1 验证步骤 

1. 发送模组周期性发送数据包； 

2. 接收模组配置为接收模式； 

3. 使用逻辑分析仪抓取接收端 CAD-IRQ 信号。

2.2.2 SDK 示例

参考代码

ret = rf_init(); 
if(ret != OK) 
{ 
    dis_err(" RF Init Fail"); while(1); 
} 
rf_set_default_para(); 
rf_set_cad(); 
rf_enter_continous_rx(); 
while (1)// 等待逻辑分析仪检测 CAD-IRQ 信号 
{ 
    rf_irq_process(); 
}‍

示例代码配置了 CAD 初始化，配置 GPIO11 作为 CAD 检测 IO 口，随后进入接收模式。

发送模组周期性发送数据包（数据包 preamble+payload 的持续时间约 20.5ms），用逻辑分析仪抓取接收

模组 GPIO11 波形，观察检测结果。

2.2.3 验证结果

逻辑分析仪抓取结果如下图所示：

图：逻辑分析仪抓取结果（CAD）

根据结果显示，当发送模组发送数据包时，接收模组发生了 CAD-IRQ，CAD 检测引脚 GPIO11 被拉高约 20.5ms，维持一个完整 ChirpIOT ™数据包的时间长度。

三、注意事项

3.1 关于 CAD 影响芯片的接收灵敏度

CAD 功能初始化时，修改了芯片的接收阈值，设置不同的接收阈值，会影响芯片的接收灵敏度，并可能存在CAD 误触发的情况。

uint32_t PAN3028_cad_en(void) 
{ 
    PAN3028_set_gpio_output(MODULE_GPIO_CAD_IRQ); 
    If(PAN3028_write_spec_page_reg(PAGE1_SEL,0x0f,0x10)!=OK) 
    { 
        return FAIL; 
    } 
    return OK; 
}

接收阈值的设置，需修改 PAN3028_cad_en() 函数中的寄存器配置，默认值为 0x10，修改接收阈值对接收灵

敏度及误触发概率的影响如下（实验数据在屏蔽放环境下测试）：

用户在使用 CAD 功能时，需根据应用场景选择修改 PAN3028_cad_en() 函数中的寄存器值（PAGE1_SEL,0x0f, 默认值为 0x10），在使用完 CAD 功能后，建议调用 rf_set_cad_off() 函数，rf_set_cad_off() 函数可以关闭 CAD 功能并将接收阈值恢复。

3.2 关于 SDK 及演示系统板

SDK 中提供了 CAD 功能所需的函数接口，CAD-IRQ 被触发时，检测引脚 GPIO11 会被拉高。演示系统板将GPIO11 连接到了 PB07, 具体信息可前往官网查看 CW32W031 的开发板原理图。

3.3 关于 CAD 使用方法

CW32W031 的射频部分可以对 preamble 和 payload 进行 CAD 检测。

3.3.1 对 preamble 检查方式

当完整的 preamble+payload 信号到来时，用户可以在接收端通过 GPIO 口读取到 CAD-IRQ 信号，CAD 检测引脚 GPIO11被拉高，拉高时间为 preamble+payload的持续时间。此时，接收端可以产生正确的 rxdone结果。

图：逻辑分析仪抓取结果（完整 CAD）

当不完整的 preamble+payload 信号到来时（发射端先进行数据发送，随后接收端在 preamble 时间段内打开了 CAD 检测），此时，用户可以在接收端通过 GPIO 口读取到 CAD-IRQ 信号，CAD 检测引脚 GPIO11 的变化有两种情况：

1.preamble（部分）内含有较完整信息，GPIO11 会被拉高 preamble（部分）+payload 的持续时间。此时，接收端可以产生正确的 rxdone 结果。

图：逻辑分析仪抓取结果（较完整 preamble）

2.preamble（部分）内未含有完整信息，GPIO11 会呈现不规则高 - 低 - 高 - 低变换的现象。此时，接收端不会产生正确的接收结果。

图：逻辑分析仪抓取结果（不完整 preamble）

3.3.2 对 payload 检查方式

当只有 payload 信号到来时（发射端先进行数据发射，随后接收端在 payload 时间段内打开了 CAD 检测），此时，由于 RX-CAD 检测不到 preamble，CAD-IRQ 会呈现不规则高 - 低 - 高 - 低变换的现象。此时，接收端不会产生正确的接收结果。

图：逻辑分析仪抓取结果（只含 payload）

3.3.3 软件应用参考

当设置的 CAD 误触发概率较少，或存在少量误触发率但不影响软件应用时，可以通过检测 CAD-IRQ，GPIO11 上升沿来判断 CAD 触发，可以认为只要收到上升沿就是收到了 payload 信号（建议使用这种方法的接收阈值设为 0x15~0x20）。

当设置的 CAD 误触发概率较高时，需要结合 CAD 检测时间用软件方法来判断 payload 信号，CAD 检测的时间以单个 chirp 持续时间作为单位计算。单个 chirp 持续时间为 2SF/BW（SF 为扩频因子，BW 为带宽，BW单位为 Hz，时间单位为秒）。使用时，建议将检测时间窗口设置为 3 个 chirp 持续时间为佳。用户可以分别在 3 个 chirp 对应的位置检测 CAD 信号，如果同时检测到 CAD 信号（GPIO11 高电平），则可以认为有信号存在。同时，软件设计需要参考 3.3.1 对 preamble 检查方式和 3.3.2 对 payload 检查方式，进行灵活调整。

在打开 CAD 接收后，如果当前空中存在信号，那么芯片需要至少 2 个 chirp 持续时间的检测，GPIO11 才能首次对外输出高电平。一个典型的应用方法为：

1.计算 one_chirp_time = 2SF/BW；

2.配置需要检测的信道，rf_set_cad()，enter_rx；

3.检测 check_cad_inactive()，判断是否检测到 CAD 信号（下面的例程检测了三次，适用于误触发较多的情况）。

uint32_t check_cad_inactive(void) 
{ 
    delay10us(one_chirp_time*2/10); 
    if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB, GPIO_PIN_7) != 1) 
    { 
        return LEVEL_INACTIVE;// 没有 cad } delay10us(one_chirp_time/10); 
        if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB, GPIO_PIN_7) != 1) { return LEVEL_INACTIVE; 
    } 
    delay10us(one_chirp_time/10); 
    if(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB, GPIO_PIN_7) != 1) 
    { 
        return LEVEL_INACTIVE; 
    }
    return LEVEL_ACTIVE;// 有 cad 
}

如果误触发较少，或存在少量误触发但不影响软件应用时，可以将检测次数减少为一次（例程如下），或者通过 GPIO11 上升沿作为判断依据。

uint32_t check_cad_inactive(void) 
{ 
    delay10us(one_chirp_time*2/10); 
    If(GPIO_ReadPin(CW_GPIOB, GPIO_PIN_7) != 1) 
    { 
        return LEVEL_INACTIVE;// 没有 cad 
    } 
    return LEVEL_ACTIVE;// 有 cad
}