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。
( h" z# C4 W' u8 A0 h1.背景及相关技术
8 Q, I7 d0 S) y  g, T6 l7 n
+ C- m4 y( O$ f) q6 T) H# }- UUWB（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。
; d, v) N) l& ~  r
' k1 C5 e8 L5 D: S- n1 l2.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：

6 O2 P/ B" @* s! ]& s! [单电源电压:2.8 V至3.6 V

6 w9 e2 L0 }+ H数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
4 C% w4 K7 @9 y% ?+ A; B
6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

' s6 q# w. i" v; D1 g4 x; j2 h发射功率：-14 dBm/-10 dBm

" H/ d# o' N9 u  t% @( I. s+ @7 V发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
( q  l. t  m: w5 @8 u/ T  S4 E
! i, M  X( V) ]/ i1 \& U/ N支持数据包大小:1023字节
* a( a% g* Y; |& d( K* x
& j/ R$ ?' f4 `( H调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
+ p5 G9 v- K; H
1 k- K& z4 l: T' F) JFDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码

6 O5 U" O2 D& b, T0 G" ^工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：
% K: j' d1 b6 G8 j" P
: R* v; B) b# A# b+ f9 Y% jDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。
/ m5 s  R; a9 A2 O$ C0 p
2 v% T! f, R" ]  L0 N引脚说明：
0 c0 @; K: D5 v- J3 T
: g8 v# _5 u9 \+ I2 l* V, aDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
4 p1 x4 R2 v; w& N
- h9 Q: a' o4 w: Z: c$ z$ W6 P比如：模式1

Channel_Config[8]={
0 V; F# p% C( Z) F! p8 f2 n6 s# }
/*模式1*/
; w3 O9 `+ ^7 F1 B7 P
' B9 V. j" f+ ^& y3 t" g, d( @                       2,             //选择通道
+ A2 m+ h, Z6 h$ z3 W: f$ v6 }
                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
$ H* T* y# }& ~5 r
, I  c/ a, `+ G( z7 U                       DW1000_BR_110K,   //波特率

; t: h4 E5 q2 Q, ~+ h1 z: A7 x                       3,            //前导码
) o  E* p8 M/ q* k/ x$ Z1 F
$ ]7 B2 R; ?( [/ ?                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
1 l& u; O% U7 b* f
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

* R- B* ?* ^; t/ N) a3 V                       1,      //非标SFD
4 Z( ?* ~: e- I/ e. Q
# ]0 w% K2 ^3 X, |1 G/ [7 g) j                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

9 q( J# B" s8 p) f5 B# ?8 x! {4 Y                   }
支持的波特率为：
- j6 j4 Q3 P' {; R
! {5 S9 `( p7 x9 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。

; V9 ^2 r3 p9 @" P* V* r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。



    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。
1 u6 B% c, B) a$ l3 A. ~; @
3.软件流程

- s; ?; y" B5 v5 k6 j: o# T+ g（1）使能DW1000软件操作流程：
8 w$ D, {1 W/ Q, }
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）；
  h* T. E$ e6 g1 y- t; [3 K
: w7 G1 r5 R* R1 d. O5 d2 }  Tb.关中断(若开启了外部中断)；
7 ~# R5 p3 F3 l
1 U- N4 P2 \! Y. ~! ?2 k" x  t0 oc.复位；

/ U* W  C( L' l  B/ A1 Ad.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）；
# w7 b% [# @+ i. ^* C: `5 c. v
1 r; l5 s0 \' ke.指定角色（Tag/Anchor）
5 Y% P0 u" y/ A- }/ G) }
- J: I+ W% p7 H1 |0 W/ ^f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
. @3 M# d+ a# [- |1 M
g.使能芯片寄存器操作；
# Z1 b/ e2 D, D6 A% I
3 B8 a: n7 b0 _, a+ v  eh.使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
" A6 A6 t6 W9 T7 t
（2）双向测距TWR流程（如图）:
2 T/ h* C7 Q5 [, C* n  h& a

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谢谢分享，楼主辛苦~！+