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。
) F4 U, Q* O* N+ h& }1.背景及相关技术
) R" B, ]5 h5 C. L' {* ~. m  i
" }1 e4 d% N$ ?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。

) F) i& _8 w7 M2.芯片选择
2 y9 d& [- k6 V  c" }. o
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：
- G: q/ O& W' P5 g
+ Y. d% ~5 W  h, }& \单电源电压:2.8 V至3.6 V
# ~) x& {! P, {* q* A% C. v. g
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
; N/ i9 q/ C5 [2 |
6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
5 k% K1 f+ N- D: L
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
" u& x5 H+ d. l% I1 h
/ u5 `5 v2 I5 Y发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

: C0 v8 w# }( K支持数据包大小:1023字节

调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
) v5 s, {" L, a7 G& [; s4 H& g
FDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码
* A9 c' S3 M; x* i3 r. n8 i
+ }' I/ p4 {4 h5 W# j工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：
! B- Q5 i# {! s) l, O
DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。
$ g/ l7 Y# }: Y7 `# \0 i8 ?
' n4 I. \6 `* b* i引脚说明：

1 d" ]% F* d/ a# H4 YDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
: e8 s2 L0 X. S& M/ H" R8 \. `
比如：模式1
& t( G. L, {- r3 y# E; l
8 q+ f% S+ r7 Y$ `7 S. D/ H7 }& Q3 O' S2 MChannel_Config[8]={

5 ]( j. d6 \1 _9 V7 d; e/*模式1*/

" R, y1 ~& y6 R, A5 o                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

% T/ ^9 H' N* t/ X                       DW1000_BR_110K,   //波特率

4 |0 Q4 y4 \4 w% r, l! f  L                       3,            //前导码

                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
- e" V* ^$ R7 ?% I
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
- p( u8 X2 t8 X6 c8 a2 ]2 V8 F
                       1,      //非标SFD
  u* I3 o; x/ o! y5 D+ c3 f. _
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

                   }
! d  M" X/ Y& s# d8 ~2 l支持的波特率为：
2 O; \3 v& b, F: x
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。
; |  U; Q0 ?* `, ~
# a& N& ^7 s5 J  ?; k6 T
" @3 y. [8 C7 O# m1 {6 w
    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。
( G! T& g& Z' s; ^. S1 t; G; n% p
3.软件流程

( F) N  D5 p& }1 f4 ?% x; Q0 q" I（1）使能DW1000软件操作流程：
, B' {' Y5 c* e' A4 A7 U: D
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）；

3 {! f3 w( n; a( _- jb.关中断(若开启了外部中断)；
+ `- K' o& R, Z- u2 g0 |1 L
+ N: z  i$ r1 ?% F% A7 Z; Fc.复位；
& F4 ]# ?; @; G% I* ^
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）；

e.指定角色（Tag/Anchor）

f.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；
) N) `2 l7 }& R* _
1 _' a: w' J1 a0 I. ~- u. F& u; xh.使能中断；
5 G! v- R7 a  h+ G: T+ [
1 b  v  p3 S  c6 y* ci. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
2 Q: V0 v1 I5 b9 U: @/ n- x6 L
( K5 @  _  @% f# \4 }6 I（2）双向测距TWR流程（如图）:
. t) ?/ m6 R" R" u' p$ W; V  @

( x: o1 a/ G  E& |: Z5 A
* e, d; V2 U' N$ F( b

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+ \% m: C0 ^4 {2 ]  T谢谢分享，楼主辛苦~！+