摘要：提出了基于對稱雙邊兩路測距(SDS-TWR)機制的無線定位節(jié)點設計方案。定位節(jié)點采用NA5TR1為無線定位節(jié)點的核心器件，該器件內(nèi)部集成了具有雙邊兩路測距功能的模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，利用ATmega644v單片機為控制器，完成無線定位節(jié)點的整體設計，并給出無線定位節(jié)點電路原理圖。節(jié)點通過測量不同基站間數(shù)據(jù)延遲時間差，實時計算出基站間的距離，經(jīng)上位機對距離數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)對目標的定位。測試結(jié)果表明，定位節(jié)點測距精度高，通信最遠距離達600 m。
關鍵詞：無線定位；節(jié)點設計；NA5TR1；ATmega644v
隨著無線通信、微處理器技術的不斷進步，推動了無線定位技術的發(fā)展。目前常用的無線定位技術有GPS技術、Zibgee技術、藍牙技術、紅外技術等，根據(jù)不同領域?qū)Χㄎ痪鹊囊?，以上技術應用于實時定位跟蹤、醫(yī)療、工業(yè)檢查及控制、安全管理等領域但這些定位技術的定位精度都不高，一般在3m以上。利用NA5TR1芯片，采用均勻的雙邊兩路測距技術，可以實現(xiàn)定位精度在1 m以內(nèi)，經(jīng)過軟放大或硬件放大后，數(shù)據(jù)傳輸距離可達800m。
1 無線定位系統(tǒng)
無線定位系統(tǒng)包括參考節(jié)點和移動節(jié)點，參考節(jié)點按照一定的規(guī)律固定地放置在需要定位的區(qū)域，一般將參考節(jié)點放置在矩形區(qū)域的4個頂角位置，并按照矩形的兩條平行線進行區(qū)域擴展，移動節(jié)點放置在被定位的實體上。選擇一個參考節(jié)點與上位機連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及處理，從而實現(xiàn)定位的目的。由于NA5TR1具有測距的功能，上位機接收到的數(shù)據(jù)是不同參考節(jié)點到被定位實體的距離，利用合理的算法，對距離數(shù)據(jù)進行計算處理，最終實現(xiàn)目標定位。
2 定位節(jié)點的特征
定位節(jié)點是放置在需要定位區(qū)域的固定參考節(jié)點，該節(jié)點具有體積小、功耗低、高精度測距的功能、并能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。定位節(jié)點主要包括ATmega644v單片機、NA5TR1無線射頻芯片、電源模塊及接口模塊等組成。NA5TR1芯片實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)并具有測距功能，單片機通過SPI接口實現(xiàn)對NA5TR1的控制及數(shù)據(jù)處理和與上位機連接。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)點需要長時間的工作，在設計定位節(jié)點時需要選擇性能穩(wěn)定、成本低、集成度高、測距精度高的芯片，NA5TR1內(nèi)部集成了具有雙邊兩路測距的功能模塊和2．45 GHz ISM RF收發(fā)器。滿足高精度定位節(jié)點設計的要求。
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距功能的無線射頻芯片。該芯片集成了2．45 GHz ISM RF收發(fā)器，在硬件方面支持測距功能(鏈接點之間的距離測量)、FDMA(頻分復用通道Frequency Division MultiplexAccess)帶有3個非疊加頻率通道和7個疊加的頻率通道、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靈敏度達到-95 dBm(僅對于匹配的尖脈沖)，適應的溫度范圍工業(yè)級：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，外部控制器通過軟件控制芯片的節(jié)能模式，為外部控制器提供32．768 kHz時鐘信號、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，在嚴實時性和緊急任務計算的條件下，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、默認的標準指令集、可編程上拉電阻。信道是將一個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，用戶可以通過對芯片編程，使用80 MHz的帶寬?；蛘?2MHz的帶寬。這樣可以與符合ISM帶寬的設備實現(xiàn)信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技術實現(xiàn)。此技術可以將80 MHz頻帶分成幾個獨立復用的符合ISM標準的22 MHz的頻帶。這個窄帶能被設成任意的22 MHz的頻率。
NA5TR1可完成測距的功能，采用對稱雙邊兩路測距方法(SDS-TWR)。僅用兩個基站就可以實現(xiàn)測距，通過兩個基站的相互通信及應答，4個通信過程如下：A基站的數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站，B基站的一個應答數(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基站的一個應答數(shù)據(jù)包發(fā)給B基站。采用信號傳播延遲(發(fā)送和應答)和響應數(shù)據(jù)包的處理延遲，兩個基站間的距離就可以計算出來，如圖1所示。D=(T1-T2)／2。
4 定位節(jié)點的設計
定位節(jié)點主要由無線通信模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。通信模塊采用具有測距功能的NASTR1無線射頻芯片，處理器模塊采用ATMEL公司的ATmega644v單片機，電源模塊采用LM1108-2.5V，實現(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，具體實現(xiàn)如圖2所示。
4．1 處理器模塊
處理器型號的選擇關系到定位節(jié)點的工作性能。ATmega644v單片機是一款高性能、低功耗、采用精簡指令集結(jié)構(gòu)、具有64 K在線可編程存儲器、2 K的EEPROM、4 K的內(nèi)部SRAM。單片機具有JTAG接口、串行通信口和SPI接口。
ATmega644v單片機采用CMOS工藝，基于AVR增強精簡指令集結(jié)構(gòu)的8位微處理器。一個時鐘周期執(zhí)行一條指令，指令執(zhí)行速度達到1MIP-S。AVR內(nèi)核包含豐富的指令集和32個通用的工作寄存器，通用寄存器直接與算術邏輯單元相連，允許兩個獨立的寄存器在一個指令周期內(nèi)同時訪問。采用精簡指令集結(jié)構(gòu)的AVR單片機比傳統(tǒng)的采用復雜指令集結(jié)構(gòu)的單片機執(zhí)行代碼的速度快10倍。
單片機通過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個可自由調(diào)整中心頻率的非重疊2.4GHzISM頻道，支持多個獨立物理層網(wǎng)絡，并能夠提高與現(xiàn)有2．4GHz無線技術共存時的網(wǎng)絡性能。數(shù)據(jù)通訊速率為125 kb／s～2 Mb／s可選。由于芯片采用獨特的窄脈沖擴頻技術天線的調(diào)試要求并不十分嚴格，這大大簡化了系統(tǒng)安裝和維護的復雜度，并能夠做到隨拿隨放。包含一個性能卓越的MAC控制器，提供對載波偵聽、多路訪問／沖突避免(CSMA／CA)和時分多址接入(TDMA)協(xié)議的支持，并實現(xiàn)前向糾錯(FEC)和128位硬件加密。為了降低對微控制器和軟件的要求，NA5TR1芯片同時提供不規(guī)則的自動地址匹配及數(shù)據(jù)包重發(fā)功能。NA5TR1 TRX無線收發(fā)器集成了數(shù)字色散延遲線(DDDL)，它負責接收并區(qū)分其他NA5TR1收發(fā)機發(fā)出的兩種信號。接收到的信號可能是Up Chirp、Down Chirp中的一種，或者是一個交疊信號(Up Chirp、Down Chirp同時出現(xiàn)的混合信號)，且所有的這些信號具有相同的中心頻率和帶寬。Up Chirp信號和Down Chirp信號的區(qū)別，僅表現(xiàn)在復雜頻譜的相位信息中。這個相位信息足以被數(shù)字色散延遲線(DDDL)用來在輸出口壓縮脈沖并在另一端展開(也就是說，將接收到的信號展開到雙倍持續(xù)時間)。通過這種方式，數(shù)字色散延遲線(DDDL)作為匹配濾波器過濾傳輸脈沖，芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3信號接收，圖4信號發(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)字信號轉(zhuǎn)換成模擬尖脈沖用來發(fā)送和將接收到的尖脈沖轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模擬部分只能通過數(shù)字部分進行訪問。
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行的時候才上電的部分，始終上電的部分包括需要控制的最小數(shù)字部分，用來維持芯片的設置。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，只有需要的時候才上電，以達到芯片最大限度的節(jié)能。
4．4 設計注意事項
無線定位節(jié)點的設計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)點的抗干擾性是設計PCB板的關鍵，設計PCB板時可以采用多層板，第一層為信號層，第二層為接地層，第三層為電源層，第四層為信號層，利用第二層接地層的屏蔽效應達到射頻信號的高質(zhì)量傳輸。在板子信號層的空白地方敷銅接地，減少信號線之間的干擾。
為了達到輸出信號最強，需要在平衡變壓器輸出到天線之間的信號線進行阻抗匹配50Ω，信號傳輸中沒有信號反射產(chǎn)生，這樣就使得到達天線的信號最強。輸出阻抗與制作PCB的板材、線寬、層間距都有關系。所以在制作PCB時，應該向廠家說明輸出部分線路的阻抗匹配要求，由廠家來完成設計和計算，以確保最終的電路板能夠符合阻抗匹配要求。通常無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，層間的電子移動越少，射頻信號的泄漏也會越小，射頻信號在板上的損失就越小。
5 結(jié)束語
近年來隨著無線通信技術的發(fā)展，無線定位節(jié)點的設計成本不斷降低，無線定位技術的使用領域也不斷擴大。短距離、低功耗、低成本的窄脈沖擴頻技術的提出及應用，使得無線定位節(jié)點的定位精度及抗干擾性有了很大的改善。尤其是其獨特的測距功能，叮滿足不同行業(yè)的應用要求，基于該芯片的無線定位節(jié)點設計方案有很好的應用前景。