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。
2 S6 ~% u) a  @" @1.背景及相关技术
7 j) v% e) q* w6 a+ T9 v
8 g9 b, N: p% R- w. WUWB（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。
7 U' E: A# {6 ?& r' ?  A; R* O. V0 t
2.芯片选择

0 y) x8 I% A8 G6 t+ E1 s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：
' Z5 a7 D. O/ W. M* U/ \2 }
单电源电压:2.8 V至3.6 V
$ P9 f* i& x# F) W2 Y
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

4 S, e0 r2 ^' D' |) |7 D6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
' i/ l  \! h# t$ |' s- E
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
" J$ Z8 X' O# d! V1 X& S3 y
发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
; W" a" O8 O$ x* H; N- L$ b/ L
支持数据包大小:1023字节
. J  K- u, ?6 N+ R5 l6 B
调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

' L/ d  w, h5 n/ pFDMA：6通道
& q& i1 m. V& U7 w
7 V0 f* ], u& _) W2 E# e# t/ zCDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
- o# p+ p+ _/ {( a! ^  w; T
' z7 a8 [/ l8 v, C) a9 {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。

0 _2 c8 C/ g1 M/ f, u5 B4 o2 s2 ~引脚说明：
! F  b9 Z! h4 k, J# G5 w
DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
& }2 \2 E6 N  ]$ s# d2 o
1 S  ]1 Z8 f6 k; _比如：模式1
! I; P5 o+ X3 ]) n$ R
3 I' ~) h% Y$ I0 tChannel_Config[8]={
, I! E! t2 D( c; h2 S# R
4 g# `# l3 w# M* t! x$ o8 J0 N/*模式1*/

. o, k1 c, E/ G5 z; W/ `                       2,             //选择通道

, Z7 N$ B, F8 a3 q2 o7 V4 c                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

. M1 M7 h3 L, n: P4 ]                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码
* d2 S! t2 Z! ?5 ?8 k* t3 ^( U
3 s; K6 s8 Z& B/ \% Q                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
) k& b& I7 T% K% x, u4 |
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

4 M! n/ e3 @( ?3 J                       1,      //非标SFD
( q/ f, o& N) C/ @2 q
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

. T- e9 r& X. u. x* k$ o6 d                   }
支持的波特率为：

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。

, E* G8 Y( k' G  @6 H3 p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。
( z; f1 Z( S5 n- {9 l
" U2 d0 z: R7 ~& q0 ~- B1 Z9 x
1 g2 n4 E8 K& U& u- N
    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。
9 Z' s1 h- |; `3 ~/ j
3.软件流程

9 l2 d3 H) w4 R  q+ n（1）使能DW1000软件操作流程：
# u$ q0 c# |6 O+ e, U
" g+ t: [- p) U5 h; ha.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）；

b.关中断(若开启了外部中断)；
9 {, `8 R' _8 b" _0 n3 r
c.复位；

3 j- @6 p1 h+ ^3 E) 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）；
" S3 x9 B2 e( X
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）

) e) p7 i% X3 l7 N& ag.使能芯片寄存器操作；

h.使能中断；
" F5 w: f1 s" E' B4 e- f9 S! i' Y
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
* ], D% L. r& o$ q3 u
（2）双向测距TWR流程（如图）:

) L* N4 r4 R8 n0 \: A# {
% K8 ~" N) y4 d" O3 @- }1 @0 r  K
+ {/ f) F, Q5 }8 k' n, q( `' S

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6 E! Q; E- C+ \# e谢谢分享，楼主辛苦~！+