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。
1.背景及相关技术
( g5 C9 r2 x) _3 _+ u: 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。

( J8 A8 H* \6 O# F2 I: O2.芯片选择
# x, l1 J8 h) ?# w, k/ X
4 `+ G* Z" r9 S/ l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 ^& _' K) D" T8 Y& h% L
单电源电压:2.8 V至3.6 V

0 ~6 R; J9 l; S3 ]5 r( d; 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

发射功率：-14 dBm/-10 dBm
5 V* v& |2 E, ~& _/ `& C+ |
, b' p' S/ k. g9 I; o发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
& |2 D, z% v' x9 i* ]
0 T) R- U9 `2 ]2 [- q6 m支持数据包大小:1023字节
- b0 v- O7 [1 _/ O% g
8 g: p0 z: u- S& S  n+ b! ~调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）
5 \8 ~* L. z) {3 V% V
FDMA：6通道
  _! j% k& B1 p- u6 T3 A, y5 F0 _
% h/ d- C: p% }: }0 n" L6 T' |CDMA：12种不同的信道编码

' b) G6 Y0 z' }* K' K, a1 h4 e工业级温度范围：-40°C至+ 85°C

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。

0 k8 N7 Z2 s/ ~8 U" b9 V' }. L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。

, O6 P: I6 ?0 ?% N比如：模式1

  Y3 F& H0 k/ S# I/ aChannel_Config[8]={

* E3 a" I8 I9 @- d1 _7 \/*模式1*/
4 j0 u' {9 P; R5 i
                       2,             //选择通道
9 a. F: b! j) K' Z! F- f
                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

" f5 g; y, r( m7 }$ L" R/ a1 ^+ {                       DW1000_BR_110K,   //波特率
# R7 o; V: B# }8 [5 V
                       3,            //前导码
' g# s* `' |  `8 Q4 i/ K; Q
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

) ~% U7 {# ?0 Y9 [                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

' _/ E; a2 i( [$ l+ @& {                       1,      //非标SFD

# {" B4 @# Z2 g* z: `& T' }7 J9 `                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

5 E1 f; z) H" U                   }
9 K2 X. f& e; t5 E0 `6 j" B+ B4 S支持的波特率为：

- }3 x9 C8 U8 y( cDW1000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。
/ Y, v" ?+ P2 m4 [
% }; h$ {0 `7 D( E8 T6 O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。

5 d& q% u' k4 c- B
, d) d4 u3 R0 {
9 B/ K3 z3 c5 E1 v    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。
* ]4 f" K8 ]$ d
3.软件流程

（1）使能DW1000软件操作流程：
, p1 p' s8 W% R1 {$ r: S
+ Y8 F5 i! I) W1 `, d# _) Y$ ia.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)；
4 y7 m/ z9 q# U% l& v( q( v; h
c.复位；
. g6 D! T! x1 t9 l2 G* `/ U
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）；
! H( d1 k+ G  D* X1 J& m+ _
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）
, ]! b$ `0 A# h% H. `
. W+ K4 s9 x8 a* \& X; l% i1 X: fg.使能芯片寄存器操作；

, w, I! V( z$ ]! Ph.使能中断；

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

（2）双向测距TWR流程（如图）:
- q8 l( j  D5 s+ d& `  z
7 B7 r" R- F2 v* [) W
  p7 p$ o2 c# ]  z- k
+ y" Z: K8 [; o0 W" S7 x

1051373629

9 a  E) k& R( R. J谢谢分享，楼主辛苦~！+
$ i( b3 O: A3 `& z( i; u. @