摘要：提出了基于對(duì)稱雙邊兩路測(cè)距(SDS-TWR)機(jī)制的無線定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。定位節(jié)點(diǎn)采用NA5TR1為無線定位節(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，完成無線定位節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì),，并給出無線定位節(jié)點(diǎn)電路原理圖,。節(jié)點(diǎn)通過測(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：無線定位,；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),；NA5TR1；ATmega644v

    隨著無線通信,、微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步,，推動(dòng)了無線定位技術(shù)的發(fā)展。目前常用的無線定位技術(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?，以上技術(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)過軟放大或硬件放大后,，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)800m,。

1 無線定位系統(tǒng)
    無線定位系統(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)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)并具有測(cè)距功能，單片機(jī)通過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,，用戶可以通過對(duì)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(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，通過兩個(gè)基站的相互通信及應(yīng)答,，4個(gè)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(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,，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,。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、多路訪問／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(hào)展開到雙倍持續(xù)時(shí)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(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),。模擬部分只能通過數(shù)字部分進(jìn)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(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)該向廠家說明輸出部分線路的阻抗匹配要求,，由廠家來完成設(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)
    近年來隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線定位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成本不斷降低,，無線定位技術(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,，基于該芯片的無線定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案有很好的應(yīng)用前景。