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

0 q; b1 a( g. a( O3 S, PUWB（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 C1 i  }2 i+ h2 w; q' H# y3 g4 P
2.芯片选择
4 I% _1 d1 O# u! e: n# C8 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：

单电源电压:2.8 V至3.6 V

5 G7 u9 @- d( z2 V! j) h数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
- K; q2 ^3 d2 e  i$ K7 D! ~
3 o& a8 C: w& r6 a1 e6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

发射功率：-14 dBm/-10 dBm

发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

' A, L6 N/ Y/ e  W支持数据包大小:1023字节
7 v' E$ N5 o  O# i% D6 G4 `$ S
调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

2 R- d- G$ r5 J' q  ]$ }FDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：
0 I( O" F# c4 N9 [; r. w6 t0 M% L
DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：
9 _* n& G5 z' C
DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

比如：模式1

Channel_Config[8]={
0 ]. z; T  B9 I' p8 e7 \& S$ @5 ^4 y1 d
6 {) Z1 u7 D% l5 O! ^5 S! f( }/*模式1*/

! D! j/ R, d$ R  s( S$ z- W                       2,             //选择通道

5 j% k5 L! {! i! n                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

                       DW1000_BR_110K,   //波特率
$ j# p" K: T% B3 K+ N0 ?* q
" J4 C* I; ~% Q                       3,            //前导码
% a4 |, u# E+ f' x- F: n/ Y  K
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
. @# y6 o! _: X" }- i( l/ [
& }. L) y7 h& u% y' [                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

# f* `: l/ |7 F: R- c/ I9 N& J                       1,      //非标SFD
9 E3 T* X, t  X# R
4 x$ `( i; ~3 ^8 o                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
# F% Q- K# ?  y' Y- D8 b
8 D7 ^9 u6 B7 q6 c$ v/ T" t; O& n                   }
1 A+ v. x! @7 H$ y支持的波特率为：

( Y, X( ^, j: j/ zDW1000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。
" P2 e, M8 O6 c6 P; p  n8 R. B3 R8 w

' a0 d# A8 J' ~* Y
    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

（1）使能DW1000软件操作流程：

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）；
' m( Y- b3 H! t% P
4 K# ?& W( R+ {# Xb.关中断(若开启了外部中断)；
) |5 `/ z' R8 Q! l! [; U
c.复位；
; X' O' d  q9 Y" P9 D
' ?& v6 U! Z' Td.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）；
6 d; v6 n* d7 f# S1 ]0 Q
) n4 X6 w& h* U8 }7 m! fe.指定角色（Tag/Anchor）

, |6 U6 N7 b8 T7 c! |6 Wf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

( g. m& \0 j! x) c; I. d+ `( _g.使能芯片寄存器操作；
. z6 i7 b' v8 J5 K4 Y3 M, O% |' c
h.使能中断；

- \# t5 u& A. n6 z' ~$ fi. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
4 z! p" f- W1 l, a9 J+ k* R0 v3 ^
9 e9 A9 g& r% u( l（2）双向测距TWR流程（如图）:
  P7 u& z! ^0 c% Y* }* h* L- ^- s- y4 `
$ ^9 C7 A& m6 o8 X1 k

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