馮 爍 李吉源 馬 躍 王里康

（中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

超寬帶技術(shù)在我們的生活中的應(yīng)用得越來越廣泛，該文主要從3 個(gè)方面對超寬帶技術(shù)進(jìn)行分析，分別為硬件組成、軟件算法以及概括總結(jié)。筆者采用最基本的設(shè)計(jì)方法，并對設(shè)計(jì)作品進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。筆者對該系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的數(shù)據(jù)處理并得出結(jié)論，發(fā)現(xiàn)其有高精度的運(yùn)行準(zhǔn)確率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體框圖

超寬帶測距系統(tǒng)是在其定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，超寬帶定位系統(tǒng)主要由標(biāo)簽、基站、終端3 個(gè)部分組成。其定位系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 超寬帶定位系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件及基本性能

超寬帶在短距離信號傳輸上有著效率高、保真率好的特點(diǎn)，對于短距離的無線文件傳輸，超寬帶發(fā)揮了其基本優(yōu)勢。超寬帶進(jìn)行高精度測距是基于其信號的非正弦波窄脈沖寬度在亞納米級，可進(jìn)行亞厘米級的定位和測距，在各個(gè)領(lǐng)域的測距中具有較大優(yōu)勢。超寬帶具有較強(qiáng)的穿透能力，在應(yīng)用中其能與其頻帶內(nèi)的窄脈沖寬帶系統(tǒng)WLAN、GPS 等共存。

2.1 移動(dòng)標(biāo)簽

超寬帶的移動(dòng)標(biāo)簽主要是由主控模塊、射頻模塊、電源管理模塊構(gòu)成，其主控模塊的芯片是由STC32 單片機(jī)構(gòu)成，該芯片具有高性能、低成本、低功率等特點(diǎn)。STC 單片機(jī)上有對應(yīng)的撥碼開關(guān)，一般情況下我們設(shè)置成on 為基站、off為標(biāo)簽的形式。把STC 單片機(jī)上的撥碼開關(guān)撥到off 的位置就得到了移動(dòng)標(biāo)簽，選擇設(shè)置1 個(gè)STC 單片機(jī)為移動(dòng)基站，2 個(gè)STC 單片機(jī)完成測距，3 個(gè)或3 個(gè)以上的STC 單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)測距定位一體的功能。移動(dòng)標(biāo)簽與設(shè)備相連接，用來接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，這樣簡單的移動(dòng)標(biāo)簽就完成了。

2.2 定位基站

將STC 單片機(jī)上的撥碼開關(guān)撥到on 的位置，就可以得到定位基站。同樣的道理，電源模塊選擇了自帶的USB 供電模塊，并由5 V 轉(zhuǎn)3 V 的轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，移動(dòng)標(biāo)簽自帶一個(gè)穩(wěn)定的電源供給系統(tǒng)，選擇一個(gè)小型的充電寶即可完成供電。圖2 就是在STC 單片機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)的轉(zhuǎn)換模塊，筆者將所有的模塊與微處理器相連，UWB 信號收發(fā)器接收信號并發(fā)送給移動(dòng)標(biāo)簽，擔(dān)任信息傳遞的角色。預(yù)留USB2.0接口，目的是為了將程序?qū)懭牖静⑶夷茏x取基站的數(shù)據(jù)。還可以通過USB 對內(nèi)置電源進(jìn)行充電。存儲(chǔ)模塊只能進(jìn)行小規(guī)模的存儲(chǔ)，將接收到的信號先存儲(chǔ)然后傳送到微處理器進(jìn)行信號處理，最后再通過UWB 信號收發(fā)器發(fā)送給終端。Wi-Fi 發(fā)送模塊與UWB 信號收發(fā)器一起使用，在發(fā)生故障時(shí)可代替UWB 信號收發(fā)器繼續(xù)發(fā)送信號。預(yù)留接口則是方便進(jìn)行改裝或者在突發(fā)狀況下，便于進(jìn)行替換而預(yù)留的。轉(zhuǎn)換方式如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換方式

在存儲(chǔ)模塊中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)用的是8M Flash 存儲(chǔ)芯片。選用原因是其PCB 板更小、更簡單。這樣可以更有效地進(jìn)行降噪處理，減少制造成本，從而更好地發(fā)揮超寬帶的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)軟件工作原理

筆者所用的測距方法十分簡單，一個(gè)基站一個(gè)標(biāo)簽就能構(gòu)成簡單的測距系統(tǒng)。如果要測量一個(gè)標(biāo)簽多個(gè)基站，就要使用高效的交匯法，以一個(gè)基站一個(gè)標(biāo)簽為半徑，以標(biāo)簽為圓心做圓，這樣多個(gè)圓就會(huì)交匯于同一點(diǎn)，再根據(jù)各個(gè)基站發(fā)送的位置信息，我們就可以用根式方程式計(jì)算出各點(diǎn)的距離，延展開來我們還可以利用該方法進(jìn)行定位，使位置距離信息更加準(zhǔn)確。（X，Y）是移動(dòng)標(biāo)簽（中心點(diǎn)）的坐標(biāo)，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）是3 個(gè)或3 個(gè)以上定位基站的測距坐標(biāo)。d 是通過公式測得的距離，da是A點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，db是B 點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，dc是C 點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離。計(jì)算公式及圖3 如下。

圖3 交匯法測距原理

ToF 全稱Time-of-Fight，就是飛行時(shí)間的意思。ToF，就是通過飛行時(shí)間來實(shí)現(xiàn)精確測距，是基站與標(biāo)簽進(jìn)行合作完成的，基站與標(biāo)簽之間通過傳遞電信號，進(jìn)而可以測量出時(shí)間。首先，當(dāng)標(biāo)簽需要測量時(shí)會(huì)發(fā)送poll 指令，基于超寬帶在短距離的優(yōu)勢，每個(gè)基站都會(huì)發(fā)送反饋指令response[2]。這樣計(jì)算出2 兩者之間來回的時(shí)間，且測量精度達(dá)到亞秒級別，當(dāng)然為了省時(shí)省電，我們會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一的集中處理數(shù)據(jù)。當(dāng)標(biāo)簽需要測距時(shí)發(fā)送poll 指令，所有的基站都會(huì)在毫秒級別的時(shí)間差中發(fā)送response 給對應(yīng)的頻段。當(dāng)標(biāo)簽接收到所有的反饋之后，又會(huì)瞬間發(fā)送over。所有指令的時(shí)間單位都在精準(zhǔn)的毫秒級別。當(dāng)一個(gè)過程完成后，這時(shí)我們得到的來回時(shí)間差為T，V 為電信號的速度。根據(jù)公式S=T×V，計(jì)算出2 點(diǎn)之間的距離S。針對多數(shù)反饋存在測量精度不準(zhǔn)確的問題，我們還可以利用新算法來解決。基于Keil 來編輯的程序需要經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，所以筆者將陳氏算法和泰勒級數(shù)相結(jié)合，陳氏算法初值估計(jì)能力好，泰勒級數(shù)展開收斂速度快，通過這樣的方式來提高運(yùn)行效率，這樣測值將會(huì)更加精確。另外一種方式就是多次測量取平均值，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行30 次運(yùn)算，結(jié)合兩者可以大幅提高測距的準(zhǔn)確度。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

以普通住房為例，測距設(shè)備應(yīng)該滿足體積小、功耗低等要求[3]，所以筆者進(jìn)行了許多改進(jìn)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可信性，進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并舉例證明。首先驗(yàn)證系統(tǒng)是否具有低功耗的特點(diǎn)。前文提到了該系統(tǒng)的節(jié)電方法，通過表1 我們可以得到相關(guān)數(shù)據(jù)，收發(fā)信號的電流都在毫安級別，小于市面上大部分的測距設(shè)備。通過系統(tǒng)測量以及人工測量，我們可以看到其精度差在±0.05 m，基本滿足測距要求。具體驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表2。

表1 2 點(diǎn)測距

表2 多點(diǎn)測距

表2 中A、B、C 分別是3 個(gè)移動(dòng)標(biāo)簽的位置，a、b、c 是3 個(gè)任意選取的測量點(diǎn)。利用交匯法測量9 組數(shù)據(jù)，再對9 組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

5 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的超寬帶室內(nèi)測距系統(tǒng)充分發(fā)揮了其在非正弦波窄波脈沖數(shù)據(jù)傳播上的優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的GPS 定位系統(tǒng)，超寬帶系統(tǒng)擁有更精準(zhǔn)地定位算法，可以緩解高速因特網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。總的來說，超寬帶的功能實(shí)現(xiàn)是建立在軟件和硬件相互配合的基礎(chǔ)上，它應(yīng)用范圍廣，未來前景好，具備了諸多優(yōu)良特性。超寬帶測距僅是其功能的一部分，我們還可以利用其進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

雖然超寬帶室內(nèi)測距系統(tǒng)非常理想，但是目前的技術(shù)不夠完善，其系統(tǒng)占用帶寬很高的問題并沒有得到很好地解決，大范圍的應(yīng)用可能會(huì)干擾到其他的無線通信系統(tǒng)。但超寬帶系統(tǒng)在精準(zhǔn)定位、傳輸速度和穿透力上都明顯高于目前的無線定位系統(tǒng)，極具發(fā)展?jié)摿?。由最近的市場調(diào)研可知，其市場推動(dòng)力在逐年提高，發(fā)展前景光明，未來短距離高精度室內(nèi)測距在市場必定會(huì)占有一席之地。