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超宽带UWB高精度定位技术

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  • TA的每日心情
    开心
    2023-7-31 10:17
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    [LV.7]常住居民III

    自我介绍
    数学中国浅夏
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    1#
    发表于 2021-10-16 10:49 |只看该作者 |正序浏览
    |招呼Ta 关注Ta
          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。$ V6 g- s2 {' e; N. H7 e
    1.背景及相关技术% a9 B; q! K" C+ e: M
    , `: m" ^4 b: K1 m6 l
    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。. g3 R/ N' m5 ?" r7 V# Z3 v+ g
    8 W% F; `& U+ h4 J9 r
    2.芯片选择
    ( B1 I6 a- o0 I) W9 |
    % d& U  R! d- m4 `, n+ [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:; D' o4 q  i1 {3 j

    5 g+ \4 n# p' }+ L2 U/ V单电源电压:2.8 V至3.6 V
    6 K$ J  [5 M, e7 e  |' J. I& g* e8 H* ^5 H  Z6 H/ }
    数据传输速率:110 kbit/s,850 kbit/s和6.8 Mbit/s;3 N8 N7 D' \! d0 I
    ) F* ~" F3 m- [) [3 \, Q
    6频段:从3.5 GHz至6.5 GHz7 D9 x9 h  Z: u- y4 ]' m) U

      B, m0 _9 x& V; R发射功率:-14 dBm/-10 dBm
    , o( o4 o$ [  T- ?2 u) E$ ?3 v5 n7 X1 M1 J" o* K% J
    发射功率密度:<-41.3dBm / MHz    I1 m: e- h* l8 |% B

    ' U2 d# v; R4 u& N8 \支持数据包大小:1023字节6 N7 s0 x5 {% Q# e8 G

      [: n/ q& a5 x$ D$ \5 r6 @调制方式:BPM(二相调制)与BPSK(二进制相位调制)8 F" j6 I1 F% ~
    " b+ t2 M/ c7 i$ {$ e1 Q6 m9 d6 ]8 J* j' j
    FDMA:6通道
      Z* C1 a1 J( a$ p; A3 w& i1 S& w" ?2 D
    CDMA:12种不同的信道编码
    9 W& G/ t! o3 w* r( m! b7 Q* y& s  P2 H- \: g0 R# S
    工业级温度范围:-40°C至+ 85°C
    # S: x4 B% M6 Z/ a6 u- Q/ k4 w
    读数据手册的摘录及心得:1 p  P8 t' E- n, L$ b

      f4 `. E' N# \( e+ |/ jDW1000需接外部38.4MHz的晶振,支持SPI通信。
    $ E# w" B! ^# F$ ~* {! v! W( r  t9 t6 \" }0 E2 F5 K5 x% H, ~# k
    引脚说明:- V6 J$ @. r6 ?3 l( Q$ |+ c
    1 b) o7 J2 y6 a8 D# P
    DW1000有8个通道需要配置,最大接收带宽为900MHz,编程会用到。. e3 ?  y: g3 r2 K
    % O  h" d3 A; R, h/ d/ D6 N
    比如:模式1
    " }; H# J1 z1 D5 V/ X1 k% v' l9 o0 w  H
    Channel_Config[8]={
    - Q) ^% H* _1 M/ o" M  J  l/ O7 i% r5 w# H
    /*模式1*/* c, j# }. T1 J$ m! H4 H

    & N7 |  S; M, }/ o" Q, G1 t* Q                       2,             //选择通道
    ) i2 k6 Y/ Y4 a1 d: D8 X! O
    ! W6 _1 s: S0 h$ Q8 P/ h5 B$ D                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率  w; ?* J! e) w% B' o

    & L1 y' l" q7 t% X                       DW1000_BR_110K,   //波特率: ?/ x! X: P5 E4 ]0 k# [
    * M, C, e& r6 s8 n' g7 y2 v7 J7 g
                           3,            //前导码6 W" [, H* A+ w
    2 {) Q2 W! f' k
                           DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
    : j* C, K. Y' R. R( L% |7 F; E9 G% h  z, D  h
                           DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
    . ^7 |, k* m) ?, D$ P
    ) }' L& D2 ]9 T2 ^                       1,      //非标SFD
    ! B! S9 Q$ S# G3 u) I! {: A) [$ T9 J! U# z! Q% O6 ~  A- K
                           (1025 + 64 - 32) //SFD超时4 W) Z1 C+ X" q8 p
    ; k6 L# S5 b- n) B
                       }# d3 _% p- M1 k
    支持的波特率为:" h( F/ _# T& s/ N& Z' `
    5 x# h, D* ]7 L& H1 b
    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。
    ' N6 [; {! x. f/ N( r8 q
    $ {% x* s7 H* ?) g* 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。
    # ?; ]* M4 d: U/ {5 n9 R( J
    * T2 u- m0 ]) s
    5 g  x6 j- W! o( \" S, B8 G! f% w( `0 A$ J# C
        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。# U6 P- _4 w* w# Y
    & u0 S% |4 \. Q+ i; Q) u0 }* b8 |
    3.软件流程
    8 X# H6 ?$ c" N" u" ^
    1 E+ X* M9 C  f2 i9 ?(1)使能DW1000软件操作流程:7 c! y4 [& ]* s/ H* N% i; @) ^! U5 Z
    6 G' Q# z+ C7 {+ x. ]1 D+ o; a4 m
    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);
    - T0 K, _0 K8 E9 D% w' N- E
    , q) c7 g* f% g1 q* C& w. B( Nb.关中断(若开启了外部中断);3 z' r1 t4 _; z/ x9 @
    * @" x# ]( p: ?* o) E! J
    c.复位;; J& E# n2 @$ x0 g, T
    ) p- u' ~+ n7 r. L# e
    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);/ T: @7 c3 b6 U. R7 \
    : j% |! I+ `7 R5 q
    e.指定角色(Tag/Anchor)5 K# c8 u& s! M- y; y8 x
    5 f6 x2 o  w: `
    f.配置信道参数(通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等)
    , [: G5 G( Q& Y/ w! S) @! L4 V9 ?' p! C" Z8 I! r/ \6 T, X
    g.使能芯片寄存器操作;
    * F$ o. d  w" W( w$ y7 I2 ~3 h& @' X- s, x. z* v' p
    h.使能中断;% h& H( Y, N, l" w) p
    ( E( B" w, {6 h9 m/ Y0 U5 x
    i. Tag/Anchor发送(Poll message)接收(Response message)消息帧,记录时间戳(timestamp)。
    # w+ M8 `" j! X/ n( ^- ~6 F6 l2 F8 |
    (2)双向测距TWR流程(如图):
    9 N0 T8 a, r! J5 F" J
    * B. o$ s6 w) F/ V! w+ M, j
      [$ A5 u1 Q5 M! p, e! t0 g$ l5 }2 H. B

    159.png (39.24 KB, 下载次数: 466)

    159.png

    2580.png (16.25 KB, 下载次数: 454)

    2580.png

    1245.png (36.91 KB, 下载次数: 433)

    1245.png

    111111111.png (78.81 KB, 下载次数: 433)

    111111111.png

    zan
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    [LV.4]偶尔看看III

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