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。
1.背景及相关技术
- Y/ I0 }0 b. K  t- t6 R% ^2 t
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。
9 T8 N7 ?. w, v, P& Z2 n; z1 x
5 ~$ }. D" L3 x4 s9 D9 a2.芯片选择

: @9 J  j* u) r. r: U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：

6 v( z3 `: g5 M' R( u3 v  r! |单电源电压:2.8 V至3.6 V

) b  z2 \* t- @8 t# B2 z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" @- t2 `1 A0 s7 r0 c4 F
发射功率：-14 dBm/-10 dBm

# B4 F: ?4 d: m发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

支持数据包大小:1023字节

" u6 D6 g8 F4 I8 J$ U调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
" Q5 a5 d& ]3 Y
FDMA：6通道

4 C* X; U+ \# f1 q# M6 y. @* LCDMA：12种不同的信道编码
4 {! F" e' ^8 N" I* ]* ~$ ?, Q
& H& }: P0 V; a5 k. R- c工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：
* f# W6 A: V7 o3 i  d5 w' C
1 b+ c: o+ r& `( h* d# M) X& lDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

引脚说明：
1 O' P& S6 l% Y9 M( G
2 Y2 e( ?7 [, l/ |) W) @( }DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
2 ^+ u) d! d# S! N$ S5 I
比如：模式1

; B/ H8 X+ u: E/ o2 _+ m5 \Channel_Config[8]={
) F, B/ W6 M% e" y- ~, @9 l. L
5 V1 J- l  ]8 l- r; k3 g5 ~3 U/*模式1*/

' \- v' j' c* N; J& i                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
* f) l2 s# V: j# V# j
                       DW1000_BR_110K,   //波特率
( L7 e( h# N, A5 c0 s0 o: ]
2 f& X, u1 C6 V1 J                       3,            //前导码

                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
% q4 a3 V2 p3 n; l' m2 s, P6 T& @
, ?! m# a  t, U* |! u. v7 H+ I, X                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
) _% H9 ?$ F) h/ n) m
                       1,      //非标SFD
  w5 f( h) u& h5 Z& a9 \
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
9 l, g+ `6 ?# }. i4 Z; f
                   }
支持的波特率为：
' l( D3 n3 P+ K  J! ?8 P# {
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。

9 o+ t/ V% t" Q" S9 [  e9 B" i

    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。

# L7 S9 l; a& x$ K3.软件流程

, l) D9 j2 \# x  _（1）使能DW1000软件操作流程：

2 ]+ O# q/ j  r8 P2 }4 Va.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）；
3 T. n" ]& E, ?3 w. l
% P$ ^) V2 S- S1 m& eb.关中断(若开启了外部中断)；
; Y1 i) F' ]! z
c.复位；
9 f! P+ h; `( L  E! H  e
* ]) M: C6 ~) N3 n' X8 V( s# yd.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）；

e.指定角色（Tag/Anchor）

f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

$ N$ V, a% m$ E5 `! A9 }g.使能芯片寄存器操作；

1 y7 }; ?0 I. i# @9 lh.使能中断；
5 g. Z1 ~+ }* u% q8 b! C: X: w7 \
% k# B; c+ i" A$ O/ ai. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

! ]2 Y' |7 m3 t! k$ g; x（2）双向测距TWR流程（如图）:

+ G" C8 H  Z2 G+ }* ~
6 r# t- j- n% d) [% H* e

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谢谢分享，楼主辛苦~！+