摘要：提出了基于對(duì)稱雙邊兩路測(cè)距(SDS-TWR)機(jī)制的無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。定位節(jié)點(diǎn)采用NA5TR1為無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)的核心器件，該器件內(nèi)部集成了具有雙邊兩路測(cè)距功能的模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，利用ATmega644v單片機(jī)為控制器，完成無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)，并給出無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)電路原理圖。節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量不同基站間數(shù)據(jù)延遲時(shí)間差，實(shí)時(shí)計(jì)算出基站間的距離，經(jīng)上位機(jī)對(duì)距離數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。測(cè)試結(jié)果表明，定位節(jié)點(diǎn)測(cè)距精度高，通信最遠(yuǎn)距離達(dá)600 m。
關(guān)鍵詞：無(wú)線定位；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；NA5TR1；ATmega644v
隨著無(wú)線通信、微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)線定位技術(shù)的發(fā)展。目前常用的無(wú)線定位技術(shù)有GPS技術(shù)、Zibgee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)等，根據(jù)不同領(lǐng)域?qū)Χㄎ痪鹊囊螅陨霞夹g(shù)應(yīng)用于實(shí)時(shí)定位跟蹤、醫(yī)療、工業(yè)檢查及控制、安全管理等領(lǐng)域但這些定位技術(shù)的定位精度都不高，一般在3m以上。利用NA5TR1芯片，采用均勻的雙邊兩路測(cè)距技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)定位精度在1 m以內(nèi)，經(jīng)過(guò)軟放大或硬件放大后，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)800m。
1 無(wú)線定位系統(tǒng)
無(wú)線定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)律固定地放置在需要定位的區(qū)域，一般將參考節(jié)點(diǎn)放置在矩形區(qū)域的4個(gè)頂角位置，并按照矩形的兩條平行線進(jìn)行區(qū)域擴(kuò)展，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置在被定位的實(shí)體上。選擇一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理，從而實(shí)現(xiàn)定位的目的。由于NA5TR1具有測(cè)距的功能，上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)是不同參考節(jié)點(diǎn)到被定位實(shí)體的距離，利用合理的算法，對(duì)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。
2 定位節(jié)點(diǎn)的特征
定位節(jié)點(diǎn)是放置在需要定位區(qū)域的固定參考節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有體積小、功耗低、高精度測(cè)距的功能、并能實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。定位節(jié)點(diǎn)主要包括ATmega644v單片機(jī)、NA5TR1無(wú)線射頻芯片、電源模塊及接口模塊等組成。NA5TR1芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)并具有測(cè)距功能，單片機(jī)通過(guò)SPI接口實(shí)現(xiàn)對(duì)NA5TR1的控制及數(shù)據(jù)處理和與上位機(jī)連接。由于需要定位區(qū)域的環(huán)境狀況的不確定性及定位節(jié)點(diǎn)需要長(zhǎng)時(shí)間的工作，在設(shè)計(jì)定位節(jié)點(diǎn)時(shí)需要選擇性能穩(wěn)定、成本低、集成度高、測(cè)距精度高的芯片，NA5TR1內(nèi)部集成了具有雙邊兩路測(cè)距的功能模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器。滿足高精度定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求。
3 NA5TR1芯片的性能及特征
NASTR1是NANOTRON公司推出的具有短距離高精度測(cè)距功能的無(wú)線射頻芯片。該芯片集成了2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，在硬件方面支持測(cè)距功能(鏈接點(diǎn)之間的距離測(cè)量)、FDMA(頻分復(fù)用通道Frequency Division MultiplexAccess)帶有3個(gè)非疊加頻率通道和7個(gè)疊加的頻率通道、象征性的0 dBm能量輸出、常規(guī)條件下，RF靈敏度≤-95 dBm@BER=0．001、RSSI靈敏度達(dá)到-95 dBm(僅對(duì)于匹配的尖脈沖)，適應(yīng)的溫度范圍工業(yè)級(jí)：T=-40～+85℃，帶內(nèi)載波干擾比(C／I)：C／I=0…3 dB@250 kbps@C=-80 dBm，允許的電壓范圍：2．3～2．7 V，具有節(jié)能的掉電模式，掉電模式下的最小工作電流≤2Ua，外部控制器通過(guò)軟件控制芯片的節(jié)能模式，為外部控制器提供32．768 kHz時(shí)鐘信號(hào)、集成了SPI接口(32 Mb／s，只能是從模式)、集成了幀緩沖器，微控制器管理功能，4位通用的數(shù)據(jù)I／O口，便于連接傳感器，在嚴(yán)實(shí)時(shí)性和緊急任務(wù)計(jì)算的條件下，提供硬件MAC加速功能。
NA5TR1包括了NA1TR8的大部分功能，但增加了一些新的功能。主要有：信道、數(shù)據(jù)分散延遲線吸收、快速尖脈沖序列接口、默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)指令集、可編程上拉電阻。信道是將一個(gè)寬頻帶分成許多窄頻帶，NA5TR1所用的帶寬是2．4 GHzISM頻帶(2．4～2．483 5 GHz)。然而，用戶可以通過(guò)對(duì)芯片編程，使用80 MHz的帶寬。或者22MHz的帶寬。這樣可以與符合ISM帶寬的設(shè)備實(shí)現(xiàn)信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。此技術(shù)可以將80 MHz頻帶分成幾個(gè)獨(dú)立復(fù)用的符合ISM標(biāo)準(zhǔn)的22 MHz的頻帶。這個(gè)窄帶能被設(shè)成任意的22 MHz的頻率。
NA5TR1可完成測(cè)距的功能，采用對(duì)稱雙邊兩路測(cè)距方法(SDS-TWR)。僅用兩個(gè)基站就可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距，通過(guò)兩個(gè)基站的相互通信及應(yīng)答，4個(gè)通信過(guò)程如下：A基站的數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站，B基站的一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)給A基站。B基站的數(shù)據(jù)包發(fā)給A基站，A基站的一個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站。采用信號(hào)傳播延遲(發(fā)送和應(yīng)答)和響應(yīng)數(shù)據(jù)包的處理延遲，兩個(gè)基站間的距離就可以計(jì)算出來(lái)，如圖1所示。D=(T1-T2)／2。
4 定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
定位節(jié)點(diǎn)主要由無(wú)線通信模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。通信模塊采用具有測(cè)距功能的NASTR1無(wú)線射頻芯片，處理器模塊采用ATMEL公司的ATmega644v單片機(jī)，電源模塊采用LM1108-2.5V，實(shí)現(xiàn)外部5 V電源轉(zhuǎn)2.5 V，供給芯片使用，也可以直接利用鋰電池供電，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
4．1 處理器模塊
處理器型號(hào)的選擇關(guān)系到定位節(jié)點(diǎn)的工作性能。ATmega644v單片機(jī)是一款高性能、低功耗、采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)、具有64 K在線可編程存儲(chǔ)器、2 K的EEPROM、4 K的內(nèi)部SRAM。單片機(jī)具有JTAG接口、串行通信口和SPI接口。
ATmega644v單片機(jī)采用CMOS工藝，基于AVR增強(qiáng)精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)的8位微處理器。一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令，指令執(zhí)行速度達(dá)到1MIP-S。AVR內(nèi)核包含豐富的指令集和32個(gè)通用的工作寄存器，通用寄存器直接與算術(shù)邏輯單元相連，允許兩個(gè)獨(dú)立的寄存器在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)。采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)的AVR單片機(jī)比傳統(tǒng)的采用復(fù)雜指令集結(jié)構(gòu)的單片機(jī)執(zhí)行代碼的速度快10倍。
單片機(jī)通過(guò)SPI接口控制NA5TR1工作，端口9和端口10為通用串口，可以直接與外部串口線相連實(shí)現(xiàn)串口通信，也可以與USB轉(zhuǎn)串口的CH341T的輸出口相連。
4．2 通信模塊
NA5TR1提供3個(gè)可自由調(diào)整中心頻率的非重疊2.4GHzISM頻道，支持多個(gè)獨(dú)立物理層網(wǎng)絡(luò)，并能夠提高與現(xiàn)有2．4GHz無(wú)線技術(shù)共存時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能。數(shù)據(jù)通訊速率為125 kb／s～2 Mb／s可選。由于芯片采用獨(dú)特的窄脈沖擴(kuò)頻技術(shù)天線的調(diào)試要求并不十分嚴(yán)格，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝和維護(hù)的復(fù)雜度，并能夠做到隨拿隨放。包含一個(gè)性能卓越的MAC控制器，提供對(duì)載波偵聽(tīng)、多路訪問(wèn)／沖突避免(CSMA／CA)和時(shí)分多址接入(TDMA)協(xié)議的支持，并實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)(FEC)和128位硬件加密。為了降低對(duì)微控制器和軟件的要求，NA5TR1芯片同時(shí)提供不規(guī)則的自動(dòng)地址匹配及數(shù)據(jù)包重發(fā)功能。NA5TR1 TRX無(wú)線收發(fā)器集成了數(shù)字色散延遲線(DDDL)，它負(fù)責(zé)接收并區(qū)分其他NA5TR1收發(fā)機(jī)發(fā)出的兩種信號(hào)。接收到的信號(hào)可能是Up Chirp、Down Chirp中的一種，或者是一個(gè)交疊信號(hào)(Up Chirp、Down Chirp同時(shí)出現(xiàn)的混合信號(hào))，且所有的這些信號(hào)具有相同的中心頻率和帶寬。Up Chirp信號(hào)和Down Chirp信號(hào)的區(qū)別，僅表現(xiàn)在復(fù)雜頻譜的相位信息中。這個(gè)相位信息足以被數(shù)字色散延遲線(DDDL)用來(lái)在輸出口壓縮脈沖并在另一端展開(kāi)(也就是說(shuō)，將接收到的信號(hào)展開(kāi)到雙倍持續(xù)時(shí)間)。通過(guò)這種方式，數(shù)字色散延遲線(DDDL)作為匹配濾波器過(guò)濾傳輸脈沖，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖3信號(hào)接收，圖4信號(hào)發(fā)射。
4．3 電源模塊
NA5TR1芯片內(nèi)部分成數(shù)字部分和模擬部分，數(shù)字部分提供控制芯片的可編程的接口和數(shù)字緩沖區(qū)，數(shù)字緩沖區(qū)用來(lái)存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)。模擬部分將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬尖脈沖用來(lái)發(fā)送和將接收到的尖脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。模擬部分只能通過(guò)數(shù)字部分進(jìn)行訪問(wèn)。
為了最大限度的節(jié)能，數(shù)字部分分成了兩部分，始終上電的部分和需要運(yùn)行的時(shí)候才上電的部分，始終上電的部分包括需要控制的最小數(shù)字部分，用來(lái)維持芯片的設(shè)置。此部分與I／O口連接，這些接口控制電源管理器。不始終上電的部分包含了控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收的部分，只有需要的時(shí)候才上電，以達(dá)到芯片最大限度的節(jié)能。
4．4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求定位精度越高越好，體積越小越好，NA5TR1集成度高、外部電路簡(jiǎn)單，合理布局電源管腳去耦電容，使用0403電容封裝可以滿足要求。由于芯片工作的頻率比較高，提高定位節(jié)點(diǎn)的抗干擾性是設(shè)計(jì)PCB板的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)PCB板時(shí)可以采用多層板，第一層為信號(hào)層，第二層為接地層，第三層為電源層，第四層為信號(hào)層，利用第二層接地層的屏蔽效應(yīng)達(dá)到射頻信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。在板子信號(hào)層的空白地方敷銅接地，減少信號(hào)線之間的干擾。
為了達(dá)到輸出信號(hào)最強(qiáng)，需要在平衡變壓器輸出到天線之間的信號(hào)線進(jìn)行阻抗匹配50Ω，信號(hào)傳輸中沒(méi)有信號(hào)反射產(chǎn)生，這樣就使得到達(dá)天線的信號(hào)最強(qiáng)。輸出阻抗與制作PCB的板材、線寬、層間距都有關(guān)系。所以在制作PCB時(shí)，應(yīng)該向廠家說(shuō)明輸出部分線路的阻抗匹配要求，由廠家來(lái)完成設(shè)計(jì)和計(jì)算，以確保最終的電路板能夠符合阻抗匹配要求。通常無(wú)線射頻電路要求板材的介電常數(shù)越小越穩(wěn)定越好。介電常數(shù)越小，層間的電子移動(dòng)越少，射頻信號(hào)的泄漏也會(huì)越小，射頻信號(hào)在板上的損失就越小。
5 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成本不斷降低，無(wú)線定位技術(shù)的使用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。短距離、低功耗、低成本的窄脈沖擴(kuò)頻技術(shù)的提出及應(yīng)用，使得無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)的定位精度及抗干擾性有了很大的改善。尤其是其獨(dú)特的測(cè)距功能，叮滿足不同行業(yè)的應(yīng)用要求，基于該芯片的無(wú)線定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案有很好的應(yīng)用前景。