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。
: Q! x) }, c! P9 K" W3 |+ S1.背景及相关技术

& M/ ^2 S4 A9 Y6 x- m+ |1 }! g6 vUWB（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。
* Z* U. c: t, e, ^5 l2 G
2.芯片选择
  l, j2 {6 @0 _2 J7 ~0 }5 c
0 k4 e8 E2 _( o0 K  e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：
$ b1 z7 h; G/ M3 X! ^, L. n* ?
. ~) C. h: `& Q- P4 R单电源电压:2.8 V至3.6 V
3 u# [1 z7 G* m2 m5 W. f7 p+ t* ^
数据传输速率：110 kbit/s，850 kbit/s和6.8 Mbit/s；
* O. h1 m) }, _+ }/ a' q
6频段：从3.5 GHz至6.5 GHz

: F9 B# B: l+ m* k. g发射功率：-14 dBm/-10 dBm
/ A! K$ d5 w  c4 d$ F" F* M
发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
, H! U% {1 }8 @' F5 ^
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）

FDMA：6通道
5 \7 d6 g3 ~' Z
CDMA：12种不同的信道编码

工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
. x" L( |/ P5 u5 ~. ^* W* d
7 S2 Y, h0 `3 A% T' L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。
4 a; M) W# O. i7 {6 X4 A8 l  V
  `1 ]$ h. ], M0 R( H引脚说明：
# }6 B( ?0 d+ U0 n& ^8 J- m9 l& g
DW1000有8个通道需要配置，最大接收带宽为900MHz，编程会用到。

- e9 j; C* G% H+ l! q. N" l% s比如：模式1

% d" P. Z  [, T* I# mChannel_Config[8]={
& Z7 s, Y+ h' }0 I
2 ^$ W0 P: d4 F  d+ s/*模式1*/

                       2,             //选择通道
- d- }1 X2 u! m. u) S7 J  E  E
; n) \* s7 i% }$ V0 M7 O1 U                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率
5 C6 W1 O- J2 E, c2 w  j" T3 g
3 |* I+ }) j0 i" G8 L6 D5 T4 k                       DW1000_BR_110K,   //波特率
7 a; s% u: D' V9 E
( x' \0 Y9 j* u2 V% t                       3,            //前导码
. _% E- u  F, q- t, m
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度
2 x/ w+ p, V# y9 i
8 E. D9 b( _. R/ M4 }  H+ q  |                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度
2 W0 [  w- Y* e( Q" v
7 l! f% q+ v. v) E                       1,      //非标SFD
- b0 B3 G2 K( K* n
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

% D# {* ~  G8 d& e2 j                   }
支持的波特率为：

2 Q" {. z$ N( {4 \  BDW1000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。
3 O* e( l8 _6 K; U' }
, |1 y/ F( w/ f+ E* m2 b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 G1 Z# p$ x0 p$ p
. ~* [* k. m, h2 J

    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
4 v1 k& G0 k& u8 J: W( a( Q
3 x6 w. J# e, ?/ S8 x8 t（1）使能DW1000软件操作流程：
$ @; r8 o$ B: F
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）；
$ I+ A6 ^; q# d- c) U' I$ D# E
% U$ s( j# a, i, w5 {b.关中断(若开启了外部中断)；

c.复位；
$ }5 w( M0 }" s
* Y7 c# j5 ^5 C- A, e5 p) O8 _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）；
9 r0 b* @% B. d# G5 \- @
e.指定角色（Tag/Anchor）

; z: J, M( b, C+ L2 m0 _9 `f.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；
; c$ D5 n$ R: y' Y  Y
5 M+ y1 @1 F6 S7 X" t- o* k+ F4 lh.使能中断；
4 S  K9 r0 h9 {
i. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。
" O7 H1 t+ b3 b$ a! e( h7 ~' j
（2）双向测距TWR流程（如图）:



/ i: r) s; a. x- ~. _

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1 ~2 d/ U+ x( O+ L: x谢谢分享，楼主辛苦~！+
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