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。
3 H9 p* m2 @, j2 u, Q1.背景及相关技术
, X2 A* ^6 E0 a, {7 n$ C
$ k; [, |% a$ ^7 V8 K& g# ?  DUWB（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。

5 V* H) s! i4 O3 ^+ D' u" v' y2.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：
5 }% p4 M4 z# ^3 R7 v8 ^7 n
% F5 C2 d- v" J- X: b2 i单电源电压:2.8 V至3.6 V
( y. k8 l" m, y1 O: i& C
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
) u( j$ T, o# d0 t+ A  W
% J( r2 D1 v$ Q9 }1 A8 T6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz
+ `3 y9 G/ F% E" J& X) @, B8 C* P
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
6 G5 D& I+ \7 H6 q- R
发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

支持数据包大小:1023字节

2 q0 }* g9 K6 f* n调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道

CDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

5 v6 S' X0 g# b" h  `8 v读数据手册的摘录及心得：
" b8 @0 Y9 z# Y' l1 g5 o2 N
DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

! l  p) o1 J3 z3 v3 ?/ s引脚说明：

DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

比如：模式1

9 T$ z  t3 A  u, [' i* C, dChannel_Config[8]={

/*模式1*/
7 p- D, Q+ w/ l' r9 s. ?8 X5 u6 t
6 u- }6 T, R- ^+ Q; b2 J& [                       2,             //选择通道

3 g+ S: Y" R1 W% m                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码
# w$ V: m0 T+ o5 W' u, r: g7 v( o
* e+ i" W" L8 K) \3 Q$ k                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
) G0 u7 q' |8 Q) ]8 B& P) _
                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
8 S# f9 ]) I; r: r& h
6 \- F5 ]9 U: c+ h                       1,      //非标SFD
0 i) y* V# d0 _' d1 |2 h
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时
! E$ ?/ k' T: I8 b2 \6 @5 r0 j9 M8 B
                   }
支持的波特率为：
+ D  ]# ?; u- H( `
4 s  r' X1 Z& [3 t0 X3 fDW1000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。
- p; b7 b7 y+ u5 B3 U
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。
* I! R. j$ _- N- {2 Q; C+ R
8 H5 S) U9 q* \
1 U6 |5 d8 Y  }* j$ J; v
* v; ^$ Y, L( _, _5 G& ?, 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。
# F! Z0 A+ \6 v1 |, e3 v
3.软件流程
5 K4 Z; I) ?: s/ C% A' v. m( P# U
2 f3 D# N6 W7 c$ c* T（1）使能DW1000软件操作流程：
: g; I+ z/ H  w/ g3 l6 k
* k3 n( ?: A) S  H; f* ha.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）；
( l3 c. ~7 e, ~' @  ]6 k" x3 ^" g
b.关中断(若开启了外部中断)；
8 w1 Y2 q, X$ b! S" k$ m
! C$ i# ^" m+ Y& Pc.复位；

: [7 c% P% H$ B& J8 o4 od.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）；
- `% X* @. ]; l2 M& P5 p- j# @, W
& O% n' \( I+ z) C0 P6 e" ^: `e.指定角色（Tag/Anchor）
+ c2 k' n0 B2 _( I* L( Z
1 |0 ^: P( w  ]: L+ uf.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）

g.使能芯片寄存器操作；

$ y1 w0 x) ^! ^! sh.使能中断；

i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

' G! M1 i: k5 ~（2）双向测距TWR流程（如图）:
  L( d- T& @. M& {* R4 R1 }+ Q* }6 N
6 }5 U8 M( {  A) B

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, k: G, N7 z  {4 y' V6 Q- ^谢谢分享，楼主辛苦~！+