超宽带UWB高精度定位技术

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      初次接触超宽带（UWB）无线通信技术，先了解和认识一下。准备做机器人室内定位，没拿到模块之前，先啃英文数据手册，好像还没有中文版本的，做个笔记。定位考虑过ZigBee和BLE，最后还是选择了UWB技术，抗干扰性能更强，定位精度高（±10cm），低成本、低功耗，数据传输速度快，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率,可达到6.8Mb/s。
1.背景及相关技术

  S1 |( `* W" o  p* a! `UWB（Ultra Wide Band，超宽带）是一种以极低功率在短距离内高速传输数据的无线通信技术，UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、家庭网络、位置测定、雷达检测等领域。系统容量大发送功率非常小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。
! }2 y3 a# P) B% z* c7 B
2.芯片选择
; g$ H& g7 H* [: D( I
选择DecaWave公司的DW1000芯片。符合IEEE802.15.4-2011超宽带标准。按照数据手册上应该最小误差在10厘米以内。DW1000的最远传输距离为450米（直视距离，非直视距离为45米）。芯片功耗低，可双向测距和定位，可作为目前室内定位（还有说法是地下定位也可以）技术RFID及WiFi的补充。参数如下：

8 c( _6 \4 t( V0 i5 M单电源电压:2.8 V至3.6 V
& p* K7 L. N! D1 n  w
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

" _- l, p  }/ ]3 v6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

发射功率：-14 dBm/-10 dBm
2 i3 V2 j5 ]- \- j7 J  M
) ?" k( m! q& a; C" g; T发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
# P0 u0 H4 {* l4 V$ A7 S. e
' u& k4 a8 O+ R' C) v支持数据包大小:1023字节

& n- l- D- K  H5 P1 A7 T: I调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
1 j, u. E4 U8 p: f
4 v9 q7 L& _0 U- \! ]: ^FDMA：6通道
3 r: \* T- M0 h8 ^' k7 V
  J0 G. @* t2 q. M4 ~1 F( xCDMA：12种不同的信道编码
6 X% p& {7 l1 \7 Z
- |% |8 y6 L% E# U9 R0 m% A4 `工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

. l! E; p6 j& P读数据手册的摘录及心得：

$ x$ z; _4 r3 P9 c: iDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。
) q) X& @3 A- g" J1 G2 o
5 P4 V; _$ H) Q$ \, i7 x5 d引脚说明：
+ \; U5 ^7 g* ?
DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
& H; @, V8 q: t3 P" ~
- D& Z0 V) v" {, u比如：模式1
# \8 k$ E7 Y% @" F
& |+ N0 N/ q$ S% S; H  P8 gChannel_Config[8]={
3 q, t& \) J6 P+ B8 V
/*模式1*/

" q$ D3 K/ R" U2 M                       2,             //选择通道
" s! S* a8 O6 @& _' \- a; L
                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
' O+ G3 ^% X5 o$ {
                       DW1000_BR_110K,   //波特率

5 E' B# f& ^0 F0 A                       3,            //前导码

1 v0 g) p& u0 z$ d: K" v+ H                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
; i+ u' q5 X0 L* y
, o+ K7 g7 H2 t) z, m                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD

                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

                   }
支持的波特率为：
# \: Z$ n7 M; u* C1 i
DW1000有两个频率合成器，本地时钟即外部和系统时钟。带宽设置有两种模式：500MHz和900MHz。由相关寄存器设置特定的带宽模式。带宽设置的增加范围大了，相应功耗也就增加。因此该TX脉冲宽度允许传输的带宽应该合理控制。DW1000寄存器是不可编程的，需要写相关值来控制。

看完数据手册，接下来就好好啃两百多页的英文用户手册，看看SPI读写操作和各个寄存器值的读写操作。大概有四十多个寄存器。DW1000对于寄存器的操作十分严格，尤其是时间同步控制。两种定位方法：到达时间差（TDOA）和双向测距（TOF）定位。时间控制不合适会导致定位误差。
3 H, T# V, Q3 S( i
+ C. o  G) ^! d2 B
3 ]# `! e6 y3 l2 x, |2 t
0 ]1 \' }4 y# f, q& N; ^- ?  C    湿度大也会衰减发射信号的强度，影响距离，比如阴雨天时，收音机的信号就明显差很多。因为无线电波的传播介质发生了变化，介质的性质（介电常数）发生变化，电磁波波速就会产生变化。

3.软件流程

- @* f2 b: K, i, W) E$ I1 `' ]) i: Q5 P（1）使能DW1000软件操作流程：
7 I# P7 n' A* W% h: D% f* n
a.设备初始化（时钟初始化、GPIO初始化、中断优先级配置、串口及SPI初始化等）；
4 s1 u7 c5 C0 A$ G
2 D3 D+ j  {( `! Z8 k, ^7 Lb.关中断(若开启了外部中断)；

c.复位；
& T( ]2 h6 E* R5 V2 q* F
d.读取芯片32位ID号（如果读取设备寄存器成功，返回设备号0xDECA0130，说明硬件初始化正常）；
: ~1 D, ?/ s5 F* E1 b
e.指定角色（Tag/Anchor）
0 ^  O# R2 M: |8 ?% i! h: n1 Y
5 E# j1 x" C5 C; pf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
. A/ C$ y6 N7 @) N- H
! x2 S/ s/ P. J3 W% U% qg.使能芯片寄存器操作；

; u% H1 V, I" g+ e0 `h.使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
+ B$ X" \4 s7 q5 y* F7 ]; n
9 g- ], _2 i6 ]! P- @  k0 V（2）双向测距TWR流程（如图）:
$ M+ A" q6 k) G1 f7 x
5 A- m1 V5 p+ h' c3 ?  Z8 @0 q
4 O, k& s% x5 T* P: w7 N

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谢谢分享，楼主辛苦~！+