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。
: x5 O& l% |4 W  B  G- r1.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。
* ~; F$ Z9 R" O* e, t4 [  T' \
2.芯片选择
5 q$ Y& p- S: u8 e0 Z) a5 V
' N) c" b6 H0 X! R1 Y4 y) ?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：
' Z1 c! T- K& j3 {( F9 y( j
单电源电压:2.8 V至3.6 V
1 x: E: @. {. M8 f
8 U: q# l1 h( j4 @3 \' \* h数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

3 ^2 F% A8 @: {) d' u6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
* S6 O) R. @1 Z8 Z5 f) g/ c
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
! D: J% L# y1 C/ S$ \* |
发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
! D( }$ Q, t0 r: E7 u/ n
3 ^" S2 Y; v! V8 x" z; b& K支持数据包大小:1023字节
, E- A2 B# p, A3 W) R- X
2 ^" v; m7 \! F- I调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
) [2 s+ G" Y8 @( \" G) N" |0 @
FDMA：6通道
0 l; ?. p/ k/ p( j2 ]$ o  e0 ?
CDMA：12种不同的信道编码
% r0 L; x) @/ f; d7 z
/ e& }+ R- {3 a( H0 k, Y5 \0 t; m工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
: D  {' {1 o; S: |5 P8 Q
读数据手册的摘录及心得：
9 B. m/ c- c9 m7 ]% b+ s' H
, e" p! ~. o, CDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：

$ X" r; C4 p, Q/ L0 {$ J/ yDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

/ ]' A1 R' R9 h/ H# W8 w比如：模式1

Channel_Config[8]={
  Z7 G; V; e( B. v
/*模式1*/

                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
8 m- _/ L' x) P$ T, |" M2 u
                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码

6 y9 b+ K2 c$ m/ d5 [                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
- \' K) L* ]( U; E: J6 I
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

) k4 i0 @, I1 P                       1,      //非标SFD
; v4 G5 T7 ^4 c: i
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

4 @: Q7 l- T" }$ g% b6 ^                   }
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。
2 v" {; ^2 f7 Y9 H5 X, k6 D# j8 W
% Q# H% Y0 Y5 k

    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。
" A+ W) v. t! W# @3 Q$ M
0 v+ D) o( V0 n2 u% h( \/ I: J6 J3.软件流程
* y3 P8 J, z5 G3 ?9 I2 L& E
) f. q0 |5 ^( B/ W7 E; n（1）使能DW1000软件操作流程：

: g; `1 L7 z) i' Za.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）；

. ~( n" ^& p1 P1 {b.关中断(若开启了外部中断)；
" f% T4 u& z7 k: L' C. L
c.复位；
# C+ J$ X4 E" i; I! [3 o% n1 m
3 b$ o  W- L0 c5 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）；
  g7 p; _/ R7 v2 Q
e.指定角色（Tag/Anchor）
6 K0 n1 O8 r9 M2 w* r
f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

, p( k9 y% G0 Z. w) s! w; q1 D+ D- Vg.使能芯片寄存器操作；

h.使能中断；
/ I7 r. u, N9 G" C1 u
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

# a/ |" z- j8 ^$ r3 W（2）双向测距TWR流程（如图）:
& B2 A# \& e% n/ A, y5 ]; U


0 b! M% K7 U' a, s4 T7 {& z

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谢谢分享，楼主辛苦~！+
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