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。
4 K. n0 d- q. P! k# [1.背景及相关技术

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。
. C5 B; B# C. c9 g) R/ k. E
$ c! j' X. G* B6 v) F5 M2.芯片选择

& u% |7 F+ S; V  {! |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

# t  H* }# _' F& W& _/ _1 u( G数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
0 ^4 W# E' E* W5 L
1 m+ q, B. K, }. O9 p; M6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
4 z  C% o: @7 C% p
2 H/ n/ i, g% ?- |: M0 f8 R1 }发射功率：-14 dBm/-10 dBm
% o+ ?& O3 r3 o9 l
, G* q5 f, w" v4 W9 \+ B" b发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
1 l( z- M+ T: k4 @7 y: h
支持数据包大小:1023字节

0 ?* {+ c; N) D$ T调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道
7 b# b# t2 i& r9 H
# c( G& `# D$ d3 c' i. GCDMA：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：
8 ]# W+ i! }% s2 M" S
DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。
% f4 b& c! N, j3 W
6 h6 `9 R" `3 |9 R. B引脚说明：

DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
1 E- ~( `6 _7 F& s/ g
" e3 W! n% _( Z. t比如：模式1
) m# d1 b% ?% Z) }. n( j4 w
1 X, z5 k; a9 X+ f/ n' J( f- H9 X* PChannel_Config[8]={
( h: j$ O0 K- v! Z- N: e
/*模式1*/
; y! l4 G: c+ W9 b  n
                       2,             //选择通道

: H5 o; B7 z# y0 W4 L: Z# `9 T$ q9 p                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
; f. q& b6 S$ z( s7 c2 A
                       DW1000_BR_110K,   //波特率
( t4 ]: n1 c1 q2 ^% @7 E
, B% O1 O; f, C) D8 P/ T                       3,            //前导码

                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

5 g( N: H/ ~  h/ V                       1,      //非标SFD
* |7 S4 X. Z, s
% d+ d3 B: i  l4 f9 }) s4 }/ U                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
0 u- [0 O  ?. g7 e7 _1 o" s; S) x. _
                   }
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。

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。

% S  |+ J+ m4 d& I

    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
0 N/ S7 y8 X# L  \; G4 b: B
（1）使能DW1000软件操作流程：
4 Z3 N- S. `8 N  ^
  V  y* F2 x4 v9 i. Ka.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）；
6 u% m$ b( D! f9 c; r, u8 A  A
b.关中断(若开启了外部中断)；

7 F; ?2 y  h6 ^c.复位；
, L) A2 O, O: l$ `& J
4 u1 X' c& X4 N4 @9 K  Bd.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）

( M* A% M  }. u  b4 M) Hg.使能芯片寄存器操作；

h.使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
6 s9 q' N+ C, G
（2）双向测距TWR流程（如图）:
' S8 M# w  }" q7 ^2 Z2 i


8 l7 D/ F% L9 s8 r+ b# B. x1 f

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谢谢分享，楼主辛苦~！+