基于STM32与DW1000的超宽带测距系统设计.pdf

28 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计摘要：阐述UWB定位具有定位精度高、时间戳精度高、发射功率低的特点，设计以STM32为主控芯片，以DW1000超宽带芯片、OLED显示屏、PCB天线为核心硬件、以Keil5为软件开发环境，通过双边双向测距方式实现标签与基站之间距离的实时监测，并将测距距离在OLED显示屏和超级终端显示。该测距系统测距精度高，成本低，易操作，可广泛应用于室内静止或移动物体的精准定位。关键词：超宽带，超级终端，精准定位。中图分类号：TN402，TP333 文章编号：1674-2583(2023)06-0028-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.011文献引用格式：董子裕，张银行，黄亮.基于STM32与DW1000的超宽带测距系统设计J.集成电路应用,2023,40(06):28-30.主控芯片属于32位精简指令集微控制器，其内核为Cortex-M3，主频为72MHz3-5。图1所示为芯片实物图，该芯片采用QFN-48封装形式，其中37个引脚为I/O口，片内集成了定时器，Flash，UART，DMA，USB，GPIO，ADC，SPI，IIC，CAN等多种功能，支持JTAG和SWD两种调试方式，仅需2个GPIO口（SWCLK、SWDIO），就可实现仿真、调试、下载等多种功能。STM32F103C8主控芯片能够满足超宽带DW1000芯片测距所需的SPI通信接口与IIC通信接口，并具备串口显示、Flash掉电存储等功能。0 引言随着5G通信时代的开启，物联网技术不断拓展新的应用空间，对室内精确定位就是物联网技术发展的重要方向。1 研究背景由于GPS对墙体的穿透性差，难以满足室内定位的需求；Wi-Fi定位和蓝牙定位精度仅为米级，不足以满足室内精确定位的要求。超宽带(UWB)无线电中的信息载体为非常窄(1ns)的脉冲无线电1,2。对这类脉冲信号进行调制，就能获得高达900MHz的带宽，定位精度理论上达到10cm，因此UWB技术可实现商场、仓库、隧道、会展中心等环境的精准定位。2 系统硬件设计 2.1 STM32F103C8主控芯片本测距系统以STM32F103C8为主控芯片，此基于STM32与DW1000的超宽带测距系统设计董子裕，张银行，黄亮(吉首大学 物理与机电工程学院，湖南 416000)Abstract This paper expounds that UWB positioning has the advantages of high positioning accuracy,high timestamp accuracy and low transmission power.The core hardware of ranging system includes DW1000 ultra wideband chip,OLED display screen and PCB antenna.The Keil5 is used as the development environment of software.The real-time distance between the label and the base station is tested by through bilateral two-way ranging and displayedby OLED screen and super terminal.The ranging system has high ranging accuracy,low cost and easy operation,and can be widely used for precise positioning of indoor stationary or moving objects.Index Terms ultra wideband,super terminal,precise positioning.Design of UWB Ranging System Based on STM32 and DW1000DONG Ziyu,ZHANG Yinhang,HUANG Liang(School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Jishou University,Hunan 416000,China.)基金项目：2021年吉首大学大学生创新创业训练计划项目，2021年吉首大学教学改革研究项目，2021年吉首大学实验室开放基金项目（JDLF2021030）。作者简介：董子裕，吉首大学物理与机电工程学院；研究方向：机电工程。通信作者：张银行，吉首大学物理与机电工程学院；研究方向：物理与机电工程。收稿日期：2022-10-06；修回日期：2023-05-19。图1 STM32F103C8芯片 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 29Research and Design 研究与设计 2.2 DW1000超宽带芯片图2所示为DecaWave公司的DW1000芯片，该芯片是一款集成了天线、全射频电路、电源管理和时钟等电路的低功耗CMOS射频收发器6。图3为DW1000芯片内部框图，由图可知DW1000芯片由接收器和发送器组成。（1）接收器的模拟前端通过模拟脉冲发生器将数字编码数据生成脉冲序列。（2）脉冲序列再由双平衡混频器转换成高频脉冲，同时合成器生成高频载波。（3）调制射频波信号被功率放大器放大后经外部天线传输7。DW1000芯片的接收器是射频前端，低噪声放大器先对接收到的微弱信号进行放大、选频，然后混频器将其转换为基带。最后，检波出的基带信号通过SPI总线提供给STM32F103C8主控制器。表1为DW1000的参数，其最远传输距离为450m，测距精度10cm，电源电压2.83.6V，频段范围3.56.5GHz，传输速率最高可达6.8Mbps，工作温度范围-4085。DW1000的抗路径衰减能力强，可应用于隧道管廊、智慧仓库、电力电厂、智慧监狱、煤矿井山、无人驾驶等领域8-10。3 测距系统总体框图测距系统总体框图如图4所示，主要由OLED显示屏，DW1000，基站PCB天线，STM32F103C8基站主控制器，STM32F103C8标签主控制器，标签PCB天线等构成。测距原理。本设计采用两个DW1000进行一对一测距，其中一个DW1000作为基站，另一个DW1000作为标签。DW1000有两种测距方式，一种是单边双向测距，另外一种是双边双向测距。单边双向测距的测距误差较大，故本设计中使用精度较高的双边双向测距方式来实现测距。双边双向测距的测距过程如图5所示。双边双向测距过程共分以下6个步骤。步骤（1）：将设备A设置为发送模式，并发送POLL包，记录此刻的时间T1，之后将设备A设置为接收模式。步骤（2）：将设备B设置为接收模式，记录收到设备A发送POLL包的时刻为T2。步骤（3）：在T3(T3=T2+Treply1)的时刻，设备B发送Response包给设备A，之后将设备B设置为接收模式。步骤（4）：将设备A收到Response包的时刻记录为T4。步骤（5）：在T5(T5=T4+Treply2)时刻，设备A发送Final包给设备B。步骤（6）：将设备B收到Final包的时刻记录为T6。与双向单边测距相比，双向双边测距因时钟偏移的引入而误差较小，而获得广泛的应用。4 系统软件设计软件主要设计了标签与基站两种工作模式，这两种模式都可以用作发送和接收，故由按键来实现基站与标签之间的模式切换。图6所示为标签模式工作流程图，（1）按键来设置当前工作模式和设备ID号，本设计中poll包的ID号为0 x10，response图2 DW1000芯片图3 DW1000内部框图表1 DW1000参数图4 测距系统总体框图图5 双边双向测距过程30 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计包的ID号为0 x20，final包的ID号为0 x30，并将上述三个ID号存储在STM32的Flash中，将状态显示在OLED屏上，设置好后开始发送poll包或者等待接收response包、final包。（2）接收过程中，检测是否是所需要测距的基站或者标签发来的数据，并判断是poll包、response包还是final包的数据中的哪个，（3）对解析出的距离信息进行低通滤波。图7所示为基站模式工作流程图，（1）利用按键将当前的工作模式设置为基站模式，并设置当前基站的ID号，以便特定的标签与此基站能够进行通讯。（2）基站进入接收模式，等待标签发送的poll包（基站数据的标签ID号和response包的ID号）。（3）成功接收后，发送response包，并记录发送response包的时间戳。response包发送完成后，等待接收final包。（4）等接收完final包后，统计接收到poll包、发送response包、接收final包的时间戳。5 实物测试图8和图9分别为标签模式和基站模式的实物照片，采用双边双向测距方法实现室内标签和基站之间距离的测量。表2为在不同距离下的测距结果。由表2可知，测量误差在可允许的范围之内。本系统采用OLED显示屏和串口波形共同显示距离，通过OLED显示屏直接读取观测到距离，而借助串口上位机可以实时查看距离的波动情况，图10所示实际距离为30cm时，测试距离的实时波动情况。6 结语通过双边双向测距方法实现了室内基站和标签之间40100m的距离测量，测距误差小于5cm。该测距方法简单，测量精度高，功耗低，简单易操作，可广泛应用于室内精准定位。参考文献1 韩玉香.基于UWB的多运动员实时高精度二维定位技术D.山西：中北大学,2022.2 凌威.基于UWB技术的区域定位系统设计与实现D.黑龙江：哈尔滨工业大学,2021.3 赵继东.基于UWB的室内定位系统设计与实现D.贵州：贵州大学,2021.4 武志凯.基于UWB的室内定位技术及系统研究D.山西：中北大学,2021.5 陈晨,魏东辉.基于STM32的新型可见光定位技术J.南方农机,2019,50(11):195.6 彭笑,张丹红,熊斌宇,江朝朝.基于DW1000的室内定位系统设计与稳定性优化J.广西大学学报(自然科学版),2018,43(05):1803-1810.7 解延春,唐佳,倪荣霈,许鲁宁.基于DW1000的超宽带室内定位系统设计J.数字技术与应用,2016(04):187-190.8 肖开泰.基于UWB超宽带的煤矿定位系统设计J.煤矿安全,2020,51(08):128-131.9 赵玮,田辉,曼茂立.一种基于UWB技术的室内人员定位系统J.承德石油高等专科学校学报,2022,24(01):44-47.10 张德立,牛瑞,廖长荣.室内定位系统设计J.科学技术创新,2021(28):7-9.图6 标签模式工作流程图 图7 基站模式工作流程图表2 不同的距离下测距结果图8 标签模式 图9 基站模式图10 串口示波器显示距离