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。
7 E3 S! m3 a, t+ `: g% M, E# [1.背景及相关技术

% i4 S  @# R7 W9 f' m; i( _7 yUWB（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 ~. x6 |3 ~; o3 I7 X
2.芯片选择
; `, J( s" P6 ]* P6 C/ j
) V9 c7 P, j4 _! u  X4 |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：
& m6 A- F+ q) E( z+ q& r" f
9 o* r* ]: p/ e$ A2 z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
) R2 t: F5 ^4 k; \
发射功率：-14 dBm/-10 dBm
& T" X  E4 z# Q
4 G5 W8 W" a: B( ]! M5 i7 f发射功率密度:<-41.3dBm / MHz  
2 S- j3 D; e" W% q
支持数据包大小:1023字节
) ]# A8 Y  J1 o/ n( m) r
' R+ T1 {2 f6 Z: j+ k调制方式：BPM（二相调制）与BPSK（二进制相位调制）

FDMA：6通道
5 W0 U" M0 V5 A7 j0 b5 @; n6 \
& |6 b) L% J, k; d0 PCDMA：12种不同的信道编码
# T" |; ~& N$ q. i1 N
6 t3 p; j/ {6 Z- R' p4 k工业级温度范围：-40°C至+ 85°C
  E/ e! g( Z8 L( d* k
8 ?9 z9 [& a" _+ H' k2 v读数据手册的摘录及心得：
$ J9 X; w$ v1 }6 ?3 V7 l
( [, u$ }8 M! B- L$ K; [DW1000需接外部38.4MHz的晶振，支持SPI通信。

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
) D9 R/ M" c  H/ O; i' D3 U
3 |1 w$ _4 G% n& p: uChannel_Config[8]={

7 i# [% H1 Q8 t) v& L( W$ G5 I/*模式1*/
( O2 R3 c  f7 o
                       2,             //选择通道
) C6 G' q6 h5 E
' y; K# H. L9 y/ [0 q                       DW1000_PRF_16M,   //脉冲频率

                       DW1000_BR_110K,   //波特率

                       3,            //前导码
9 f5 h0 {# u3 w& q8 E
                       DW1000_PLEN_1024, //前导码数据长度

                       DW1000_PAC32,     //指定PAC前导长度

$ X( }3 n) K$ A: _, A. Z8 o' M0 z                       1,      //非标SFD
. z5 z. R: s- K$ O* M
                       (1025 + 64 - 32) //SFD超时

                   }
支持的波特率为：

- r9 ?) A( X% H+ qDW1000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。



7 z' ?! ^9 |0 t: L    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
0 ?* o6 w) ?4 Z5 z+ e
（1）使能DW1000软件操作流程：
- C0 F1 s2 S6 p; I' o
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）；

# d$ X; H  F0 m% Hb.关中断(若开启了外部中断)；
) V. \7 Z# u% ?7 Y4 W
. Z' P2 N! o0 `- f+ n. c# }c.复位；

: y( Q/ j2 d4 d* `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）；
, L; E' s1 K( m8 |
e.指定角色（Tag/Anchor）
2 f4 e6 ]7 O2 |% t' h/ C
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；
* z: E7 V" G7 f2 u$ o( j2 l
h.使能中断；
7 \# C1 i$ n/ |9 n
4 i; \% _4 P: n1 L' L! H3 ui. Tag/Anchor发送（Poll message）接收（Response message）消息帧，记录时间戳（timestamp）。

! L- A5 d5 u6 A  e9 ]% F& l- o+ {+ W（2）双向测距TWR流程（如图）:

8 M& T) k& P! Y+ K

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! P5 z9 _) I0 K+ N' K" l  |8 A! y+ h9 L谢谢分享，楼主辛苦~！+
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