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。
" Z- E4 A2 k3 k. G1.背景及相关技术
' {+ O. g1 u, H. h6 C0 C5 q
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。

% I! b2 B5 c$ {2.芯片选择
$ n6 Q3 T7 f1 c8 {% H! ~. g! X
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；

6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

& q- [4 b# |8 c6 r) F发射功率：-14 dBm/-10 dBm
% ^  T9 _& e% Z1 O( g. G" B
/ W* X6 K% q2 G  q" o发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  

/ B/ F& @( i8 Y$ J% U支持数据包大小:1023字节
4 Y" F2 l! {/ ?) O, J2 E
, C# H2 g. E' a- f1 b$ Q% i+ S. r% |调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

2 |9 b5 ]( l; X* J! N) xFDMA：6通道
) E; k: F0 r/ [. g7 o' Q
- F% D# t% C3 m5 K# gCDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
: I  V. ^, a  u
读数据手册的摘录及心得：

! ]4 J) T; B# `( YDW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。
5 ]! N. u+ d- }" j: s4 Y
0 r1 y& y' y0 _" }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。
/ O* h# Q) |/ O4 p
比如：模式1

+ z$ E/ _$ z3 [- A* ^Channel_Config[8]={

/*模式1*/

                       2,             //选择通道

                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

/ V% d1 W1 s7 r  E8 }                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码

                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
/ o4 z! v! i) i% k; n2 }2 V
. \! S$ ?+ |+ p: C1 L! u+ ~                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

                       1,      //非标SFD

* b8 \( ^$ D+ w/ T                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

4 b" ], c3 w. }' h7 G( m                   }
支持的波特率为：

! |) \! M3 Q6 oDW1000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。
0 I+ g$ x/ x8 E4 Q
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。
) t+ C% w! z  a7 r. n
5 @$ x! C( ~3 G1 c( A5 b
3 K' F' Q# C. z4 w5 K( h
4 Q; m" {+ }# u    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

! {% P% N: D+ Z. t' X$ ]* B2 A. {（1）使能DW1000软件操作流程：
; q3 \! b" i7 b7 n9 H; v' `! Q
- D  a3 |% d0 T# f& ja.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）；

b.关中断(若开启了外部中断)；

c.复位；

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）；
& b% X& X4 r: W; ]9 Y9 X8 ]
e.指定角色（Tag/Anchor）
8 Z$ S0 ]. }7 o
f.配置信道参数（通道数、频率、数据速率、引导码、PAC、SFD等）
4 V# T6 e, E! P
g.使能芯片寄存器操作；
4 H5 k$ f% ?3 Z0 ]
" r; s* w4 T  ~) V* ~8 f) Sh.使能中断；
5 B0 {7 [! j1 N& A; [
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

: M4 O! p9 `/ Z3 p（2）双向测距TWR流程（如图）:


1 R: m  G3 b8 m" T" `' N
6 o) g7 ~1 m3 s) |5 C1 U7 C0 D

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谢谢分享，楼主辛苦~！+