超宽带UWB高精度定位技术

1047521767

      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

7 m* a9 r5 P; J0 a5 A1 q+ fUWB（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。
! Y* I7 e  C* t1 q
2.芯片选择

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：
* n: d6 h5 H' ~9 U1 p* g/ K& H2 {
- |0 u  p( J& U. X2 W6 a单电源电压:2.8 V至3.6 V

+ H- K- P/ Q9 z: e/ N/ x) y& E数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
' D" ^8 b  k7 _1 v7 k! D, D
: b( H5 u0 U" ^% u( R6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

% B& \8 {; |7 Z8 r; i发射功率：-14 dBm/-10 dBm

发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

6 I( A0 F( C$ t  ?% ^% V. v支持数据包大小:1023字节
9 E8 x/ _7 F6 q) j& }
调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码

- c/ C3 i  I/ ?+ U7 w9 ]( U* H工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
( N/ M- y$ |/ o2 B
# {, U: O6 p$ \$ w读数据手册的摘录及心得：
2 e) X8 D. Z7 t* s" `
DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：

9 V6 D: M  Z0 r* VDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

( ]5 t. Q9 |9 d比如：模式1
4 h5 t2 @+ y6 Y1 n' o
Channel_Config[8]={
; k, J1 N% ]% k; w
/*模式1*/

; Q* G& }# n  f4 S  q5 w                       2,             //选择通道
* k* Q+ y0 Q$ I3 R
. Q$ k/ l8 V" n) @% e  p1 y% l                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
& d- D& h( F! B' C5 R
                       DW1000_BR_110K,   //波特率
! L4 B& g9 W( P, s& g; v) R  o+ Y! q
                       3,            //前导码
: Y1 M2 B- ]1 a+ e8 D3 f
" V" o, O6 s% i; s) \" E                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
/ F) G& a" k, I% J! U8 m7 M
3 B+ s; l1 a1 F: M. v) A                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD

                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
  w8 X5 Q: _2 \2 ?; b
                   }
支持的波特率为：

( P0 @4 b* k) i0 Y/ YDW1000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。
4 ]* E5 |. ?( q
: h: _- x* k' G1 o! X8 U+ C

2 D4 d2 R. t$ q3 ^    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。
8 U  y: |5 j0 \7 n. D
7 J) ^. W; t" {2 e6 M. g6 }5 a# ^3.软件流程
  Q5 `' Q( G9 |) G9 P5 f- r
（1）使能DW1000软件操作流程：
% C1 t3 r: t/ G
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）；

" P5 I0 ~; Q* N0 D! Q- _b.关中断(若开启了外部中断)；

c.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）；
) ~0 ?& h6 x1 Y5 w0 Q
" E4 H( B. }6 c1 F$ c7 ]: x% Y6 ae.指定角色（Tag/Anchor）

: S" G0 ]% A. E  rf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

g.使能芯片寄存器操作；

" ^6 ]3 l2 c9 ^! [7 w$ ah.使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
9 i: D- D& {! @5 _7 D
% f* b0 }! n: Q. {2 g( l1 H; H' w（2）双向测距TWR流程（如图）:



" L5 Q7 g! [! K

1051373629

$ y6 ~8 g6 q( i  S; }谢谢分享，楼主辛苦~！+