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。
# a6 {+ a2 v, z5 m) b% [1.背景及相关技术
8 H! Q) s! `+ d2 J1 {) U5 I
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。
7 b" \0 m9 n3 h( B* C7 Q9 f
2.芯片选择

3 p* R+ Y. m# 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：
4 d& f9 e$ h  |& D
单电源电压:2.8 V至3.6 V
0 ?2 l1 a. ~& |2 B% h, q
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；

% |! k1 y6 y1 ]. U* m6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
+ d' @1 B+ Y& T/ q% d) Z
& S9 [& `8 e' L2 k9 P发射功率：-14 dBm/-10 dBm
' E- f1 a# s. \  p
% R# `6 P& h  r4 H' c8 c- Y发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
: N: @: J5 n4 u
支持数据包大小:1023字节
8 c4 y" F$ f2 |5 I# u
  |' x: F0 }5 O1 b# Z) E0 u- A调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
  L% ~4 ^* }' A7 \0 X) q4 L: h* B( F2 f
( [# @0 U4 [* H) @( b* H8 GFDMA：6通道
+ \7 T! j, V" Q% T
: g* W+ p6 x; m8 l+ }' l; M. FCDMA：12种不同的信道编码
3 y4 s7 Q. b0 ?5 ^
& p* Z/ Y9 v6 i3 q2 \9 T3 K) Y% S工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
" t0 e6 _' i* m2 Y. d6 _4 J( T1 c8 N
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。
6 ]2 g* \- Z& O% E( r
引脚说明：

( L9 |6 C' S3 t8 IDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

3 f; d' ^+ i3 V/ D- C比如：模式1
' m+ ?8 d5 I* u3 |  [
  ~8 b* k6 U* R) s) \+ i" vChannel_Config[8]={
3 t! s$ b& ~1 J' B9 P) i9 K
: X/ i6 ]' L6 K9 {) {6 c/ B9 y/*模式1*/
$ t9 I0 @' ?0 k
                       2,             //选择通道
9 U, C7 {$ f3 V" D8 J, C
+ ^0 U9 |9 I* T4 v$ p                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
6 \. z7 W  ~9 p, X- \
$ k/ ^3 f! O6 u: q                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码

* M! n# ]5 \* O  C: e( G7 B2 O3 ?                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
2 S2 U4 T$ k3 }9 L0 |0 y/ d
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD

                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
$ U6 u# c  U+ V) n& R7 q/ Y
$ |' s; n8 Z1 @$ o! `' e: s! P                   }
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。



% ?+ D4 z0 T5 Q    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：
4 G6 ?" E9 d- R* L3 @3 S
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）；

6 _+ M1 f$ q1 t( S+ P+ ub.关中断(若开启了外部中断)；

c.复位；
! M/ {3 J- U7 x
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）；

4 }( A; Z  \5 c6 Ne.指定角色（Tag/Anchor）

0 ~# {" n8 C3 h3 Zf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
6 Q5 y, I. X2 H8 u6 c, H
; q8 V) e1 f2 z1 {' _& Z- x: F( ^g.使能芯片寄存器操作；

! ^# R$ T1 w% S& @, }* M+ jh.使能中断；

9 g; \1 B# ~8 ~# ]. E# Si. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
5 t3 d' l; x9 G. V/ U
（2）双向测距TWR流程（如图）:
0 S9 h$ i& c" G
; D2 t: `9 G% Y

, b4 V8 p! J! `& H

1051373629

# B2 n0 x5 O$ n: W谢谢分享，楼主辛苦~！+