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 j6 i8 U8 z# o6 W1.背景及相关技术

: p# a3 V! N  T' H- R1 UUWB（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。
+ n3 i: I) m* e/ m+ e- y7 l/ \
- q* I# y% d7 W/ J" Z7 o! y2.芯片选择
2 i' ?) K$ }1 @5 I# t
' o( |& K8 D% G- r( q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：
' p! g3 h: x% {& M" F' b; N
单电源电压:2.8 V至3.6 V
8 ^) h" j- ]- L9 W0 a! J
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
) m& Q: {% O1 G* ]3 u  O5 P
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
& ?- N  t. P" N  s
8 ^( s- U, C: G9 J# Y$ I发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
( t, @. f; e/ ^
6 G5 E% |; Z5 o+ Y$ U& [; x支持数据包大小:1023字节

* y0 @4 G( U/ `1 k! [9 I& s调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道
- V/ }1 \  q! Q  o' `4 W! l
+ ?3 x( s  b5 I/ n) v, FCDMA：12种不同的信道编码
; A3 {0 ?1 t. a
3 T( E/ M3 K: p' ?: s% h9 P. |工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
2 D* r+ N" c" ~: w2 Y9 L
1 O2 E: o8 o% C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。

+ H9 z6 h# a3 a引脚说明：

, ^3 y$ [. z5 @2 T: g# zDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
( ^! f& U* Y# A$ o; f
  J3 D  i' o, s; \1 z3 ]' j3 q6 d! [3 u比如：模式1
1 q8 q" d1 g+ k& x  X
' N6 Q1 t9 Q; k) S9 F9 @2 o3 H* ^; zChannel_Config[8]={

/*模式1*/

. G0 C* ]0 F! g6 s- z                       2,             //选择通道

: l. R9 X0 D# b7 h9 l6 L! w9 l                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

  g! F' ^$ d& C! k& V/ s; r: s                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码
7 R, S7 f- }+ v. z7 \+ i2 P3 G0 c
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
( x$ W+ E" e  R  ?# _( u6 p8 y  o
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD

                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

+ T" K9 V6 m- W! R                   }
; }2 F3 j  x. }% g. p支持的波特率为：
* B/ H+ F; g! \0 y% a3 ^( G% U
% d  Q+ i( @9 HDW1000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。
: ^& D6 o: x# m7 \
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。

: S5 ]% c3 J/ N
; N! p: {- Q3 y
0 Z2 l& j5 m+ ^* I/ w! `4 l& Z    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。
& I6 w1 k; Y- m6 ^. J/ e3 N1 Q
3.软件流程

3 Y1 I, h  ^3 v( ~8 j% [（1）使能DW1000软件操作流程：

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）；
; M2 G2 }; K( _7 u
2 o& N6 _- y8 C, ?1 ?b.关中断(若开启了外部中断)；
: d, H) O# x2 Z  [
" N) O+ c0 \- M8 Ic.复位；
8 S' i2 m' b1 j" n& A
  _/ Y* j; O, o8 S/ ]/ Rd.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）；
, \. @' [; Q. M
( |4 p8 A  k) h* ae.指定角色（Tag/Anchor）

$ y! I& e8 m( m% |; yf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

3 r! M) ~9 Q+ ~% zg.使能芯片寄存器操作；
, I) O. M) w0 z0 S
9 `/ s* P$ r3 c' q- {6 lh.使能中断；
& W6 Y+ }7 m( X+ {7 F7 J, ]
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

( s9 J" P+ |3 q% T) ]（2）双向测距TWR流程（如图）:
* k1 |" u" w- H. W) w
$ W2 [: [6 F; I4 t' r
  N# V# \% a  o6 f( A

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