超宽带UWB高精度定位技术

1047521767

      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。
1.背景及相关技术
( \1 Y3 I3 p- L4 @  Y8 M1 S+ u
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。
+ H. _: k9 v/ }+ j
2.芯片选择

2 _. Y0 w6 O4 W; K) \2 A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：
% n/ K7 i( B7 N& F% D7 l' |
单电源电压:2.8 V至3.6 V

数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

5 o7 a0 b. E5 {发射功率：-14 dBm/-10 dBm

# x) u! O! Q1 X- d0 B+ p发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

9 U4 Q+ x. Q$ _" l支持数据包大小:1023字节

5 p3 i2 ]: d! Y7 I. O调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
; ?4 X8 t7 Y, d+ ^
2 L$ q2 s$ I0 rFDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码
  [1 Q( P: T4 ?% P( F
- K& H- F3 M) H! F工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
1 h' O$ `. m4 L1 |; |/ }. Q
读数据手册的摘录及心得：
0 t7 Q/ P+ j" F5 Q9 v) G+ U( F
  W0 T/ O; T1 z5 E8 qDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

9 ]; \# A* x: u6 c9 V$ P引脚说明：
" {( {( }+ u7 l' U
: ?* X! P! J, D) d" YDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

6 Y7 h" ~3 l: a' F6 b6 N# \$ H比如：模式1

Channel_Config[8]={
9 S9 x3 J6 Y0 q, E' J& D
2 ]: T, g4 @( y/ k# H/*模式1*/

                       2,             //选择通道
( }2 U0 G# n8 E( C1 j* B* ?! [8 M
0 L: k# F  s; t4 ^5 R                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码

                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

1 R& d# b2 |- M$ e                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

3 m: s& f4 P7 E5 }2 t; J8 y3 o# G                       1,      //非标SFD

  l4 c' r2 l7 U0 C                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

! b) I; D2 S/ ?$ K                   }
1 p9 N! e) D1 m支持的波特率为：

( `. l  \8 s8 W8 J) H. UDW1000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。
6 w6 i; K3 r# N7 H: ~
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* g* U& c" ]3 P9 q( J) c( F    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

（1）使能DW1000软件操作流程：

+ @2 i# O6 W2 m. U3 G( Ia.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）；

' ]+ r  a6 {5 @( X1 W2 z4 lb.关中断(若开启了外部中断)；
% H% Y( p' c# }* D7 I2 j
/ s' l+ o1 {$ ^( o- `% k( a  k0 rc.复位；

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）；
8 G8 l& c, P- B1 m* M% N' \- G0 g9 n
e.指定角色（Tag/Anchor）
0 ?0 X! K6 q) g. O1 }
  @' a3 _' ^" b$ F  Cf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
1 T5 P  c: V9 B+ Z( ?
8 @0 A5 l. ]8 d( K% cg.使能芯片寄存器操作；

h.使能中断；
4 Y+ r* b: _) h3 `' @1 T1 w+ x
5 s7 Q+ A- W$ B& Gi. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
6 j; t1 R; G% v0 K1 f8 F: L
, y' D2 G$ K2 k( T& I（2）双向测距TWR流程（如图）:

2 M# l  T$ M5 P" y

3 s, r' {) u/ {6 h+ I

1051373629

3 j# j' e, T( u5 |8 `3 Y' M* A谢谢分享，楼主辛苦~！+
5 x, _+ g9 p  V+ I