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。
4 l2 I+ t) g% U, x; W& J: e1.背景及相关技术
- z. D- J  I4 X* I) f: @/ K
1 s. n5 J" K% k. Q& AUWB（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.芯片选择
$ b) }5 Y, ]! P5 s) P
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：
7 }9 D6 f8 t$ p) s
单电源电压:2.8 V至3.6 V

数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
: M  L' g4 t! W3 q- G$ g
6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
* V, \; w& w7 q2 ^2 l- m: n
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
( M2 G+ m* b6 c7 b  I
$ Z4 x+ F$ J4 B5 D; o发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
/ h! k. m2 L& V1 ^9 \/ l5 D
支持数据包大小:1023字节

7 q& v+ ?1 w. ]  o/ A3 h) o调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

5 Y2 n9 H! c+ E1 p& ~FDMA：6通道

/ m, G; V8 r  sCDMA：12种不同的信道编码

- Y* F$ Y0 o# D" J/ I. K7 O工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：

DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：
4 u5 \% C8 i2 f
DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
. O* q3 _/ T) C5 R3 r9 o" t
比如：模式1

0 p6 k1 ?! ]+ |$ h0 zChannel_Config[8]={

/*模式1*/
0 M  s9 F; t8 g7 b; `
; J. z$ J; w: d& `4 n) y' c* R                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
' I0 p! O: N' ^( D
; Y' d6 l& q% e" X! j& r                       DW1000_BR_110K,   //波特率
" b+ |  N" \/ ^
                       3,            //前导码

% r+ A9 e! D* n9 i9 _$ M                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
0 j5 N) j& }5 I& r- v! O& t
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD
( K# X+ Z$ V# Q& A) F3 Y) ?
7 z% ^0 s7 _% O+ M. p                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
3 L2 W/ L9 B+ z2 F* Y4 ?: p' M
                   }
0 ^$ w) x( c! Z" f9 i  _& p' A7 B$ l支持的波特率为：

6 M- r! }& p# @/ Y! O# PDW1000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。

' J9 o6 n; N( r' K( B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。

7 x4 z5 ^+ Z( D- J

6 J) K2 b' A1 x  z: ^4 `" j/ {    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
% k3 i" B7 E3 T3 R3 Q/ ^
: {; S$ ]9 s9 r" i* N9 D& O（1）使能DW1000软件操作流程：

' M! {8 l& {  J3 r; U2 N5 w, Wa.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）；
6 t; L0 T7 h/ ^1 ^# t  e7 t
, d- Z/ T# B/ G' W8 {0 F/ l! rb.关中断(若开启了外部中断)；
6 u' R$ e1 Z) a2 Q: U' c
# T2 `1 E% U* M% z. K: z9 C4 vc.复位；

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）；
; y, m" z1 [& h! o: ?1 o" q; I
e.指定角色（Tag/Anchor）
- z1 ~  {- V4 }  t( J% L
f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

5 E3 }2 w0 n( g' s1 Sg.使能芯片寄存器操作；
( m( n. R- Z# T( b9 I. _) ]
, Y% D" ^1 B5 \1 d- T7 P0 ih.使能中断；
! y, m* I! o) D+ Y2 R
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

/ E9 N' j2 j6 `* [% G9 L5 A0 x（2）双向测距TWR流程（如图）:
8 t, I8 s( {5 m: M4 L

. C: t/ m, Y/ x' A& `5 _8 p
7 ]7 |) p% X  Q

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; ?, r' F1 G( K3 @8 i谢谢分享，楼主辛苦~！+