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。
( f2 S* z/ W0 m4 f1 T' b7 Q1.背景及相关技术
0 E) {1 P9 r, c/ M' s7 {# v* o
' W$ ]/ n' Y* r( v  E# pUWB（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。

2.芯片选择

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：

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；
* y, \& K! S" \% A* Q" s( o$ R$ S
0 K; G# n+ g0 ]4 N7 I6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
; l; l( P; h. A3 ?. m4 {
% H0 c# ], {1 N5 B+ x发射功率：-14 dBm/-10 dBm
5 }: x3 [" o1 r! \1 H; [2 M/ \
: ?  X7 M  n9 C发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
# I4 O3 l; B; j( f$ o
支持数据包大小:1023字节

调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
9 B+ `; ?3 L4 w% v' y1 ~+ b! F/ r
8 K% [& d! n& u( K6 ?9 @FDMA：6通道
7 ?( U; C: K1 C( ~2 F2 v
) T& I5 [+ p( ]- ?& ECDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

读数据手册的摘录及心得：
" x# y% A* T& U
6 |, Y" J) A: c, c9 h, ^DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

  w/ U+ F: g( n: D2 b引脚说明：
. ~4 s% y; ?2 [
1 ]- e. h3 N! [0 S/ I/ R0 ~$ k1 F3 cDW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。
4 N( r# L  ^/ T! _2 t
% |- Q6 p( k" Z' z比如：模式1

2 }2 y) Y5 M4 W& B9 ?" WChannel_Config[8]={
. z9 Q: k: ^4 }1 @, l7 u1 s: W1 A
/*模式1*/

                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
: m7 ]# L1 K# d3 o
1 S$ T4 k" b  @- n1 F: ^. t( u                       DW1000_BR_110K,   //波特率
) M8 h; M+ T- a) V' J
* G0 u1 {+ [* I* }                       3,            //前导码
2 K$ Z- h8 ?' |+ n8 B2 A$ W
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
, [+ y. g* S0 y7 [" O1 p
                       1,      //非标SFD

% s6 |  O/ }) U2 y0 r, y/ y& }                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

; E, M4 J- f# J1 s- u. c                   }
支持的波特率为：

, L. V4 j& G& t2 z, I* T3 Q& eDW1000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。

/ }* ^0 q1 w- J1 h0 J+ k

7 ^5 F' x1 H) ~, T7 H    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。
8 |4 R/ h- b7 V9 T
3.软件流程
4 ^/ e6 z( A; W2 k  i' M
（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）；

  |  l) M! r( q9 Jb.关中断(若开启了外部中断)；

- a( _8 |) R, y( F: C$ Y; Wc.复位；
/ t0 f3 j& g: x) g9 j- E0 {
8 p; i, E, E. n9 I* Q- Y* H+ J7 Jd.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）；

; }- |* a) ?( ^0 @6 e0 z  `5 K8 se.指定角色（Tag/Anchor）
9 k4 H) E2 [5 v& q( ]
2 A% j# B6 \; ]# U5 \f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
$ p, _( b$ F# t) d
g.使能芯片寄存器操作；

1 G8 [. q4 \" F3 `; }( c5 Yh.使能中断；
: C  T  _% J0 y& v
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

3 F+ `) ~+ N! e1 l# s7 a# y（2）双向测距TWR流程（如图）:
$ y# T0 \" y+ z! i9 C
6 m# I9 F$ G! v6 ^8 h

% o1 b. Z) Q; a( \; D- P. P2 n

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