如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统(6)

这是一个系列文章《如何从零开始实现TDOA技术的 UWB 精确定位系统》第6部分。
重要提示（劝退说明）：

Q：做这个定位系统需要基础么？
A：文章不是写给小白看的，需要有电子技术和软件编程的基础
Q：你的这些硬件/软件是开源的吗？
A：不是开源的。这一系列文章是授人以"渔"，而不是授人以"鱼"。文章中我会介绍怎么实现UWB定位系统，告诉你如何克服难点，但不会直接把PCB的Gerber文件给你去做板子，不会把软件的源代码给你，不会把编译好的固件给你。我不会给你任何直接的结果，我只是告诉你方法。 Q：我个人对UWB定位很兴趣，可不可以做出一个定位系统？
A：如果是有很强的硬件/软件背景，并且有大量的时间，当然可以做得出来。文章就是写给你看的！
Q：我是商业公司，我想把UWB定位系统搞成一个商业产品。
A：当然可以。这文章也是写给你看的。如果你想自己从头构建整个系统，看了我的文章后，只需要画电路打板；构思软件结构再编码。就这样，所有的难点我都会在文中提到，并介绍了解决方法。你不需要招人来做算法研究。如果你想省事省时间，可以直接购买我们的电路图(AD工程文件)，购买我们的软件源代码，然后快速进入生产环节。（网站: https://uwbhome.top）
在之前的文章中，已经介绍了 UWB TDOA定位相关的重要技术，其实这一系列文章可以算是结束了。接下来我陆续介绍一下细节。

频率、时间、长度关系

时间与长度的关系：

光速是 299702547 m/s
1ms光跑的路程299702.547m
1us 光跑的路程299.702547m
1ns光跑的路程0.299702547m=29.97cm
1ps光跑的路程0.000299702547m=0.0299702547cm
15.65ps光跑的路程=0.469034486055cm=0.00469034486055 m

DW1000的时间戳的单位是15.65ps，对应到0.469cm。也就是说如果时间戳的数字相差1，表示相差4.67毫米。这个大概是有些定位系统号称毫米级精度的数据来源吧。其实如果胆子够大，在宣传上还可以进一步提升精度。参见我的另一篇文章
如何建造精度 1 毫米的 UWB 精确定位系统
1m路程，光跑需要时间3.336641646892644e-9 秒 = 3.336641646892644 ns
DW1000的几个频率关系

DW1000使用的外部晶振频率为38.4MHz @+/-10ppm
DW1000的参考时钟是38.4MHz。38.4M进行13倍频后是499.2MHz，再4分频得到124.8MHz作为DW1000的内部系统时钟。
38.4MHz的波长为 300Mm/38.4M=7.8125m (300Mm为光速，300M米)
124.8MHz的波长为 300Mm/124.8M=2.4m
38.4MHz的一个时钟周期为26.04ns
124.8MHz的一个时钟周期为8.012ns
63.8976 GHz 的一个时钟周期为15.6484375ps，光跑的路程=0.4690305cm

分析DW1000之外的其他方案

RTL-SDR的采样率为2.4 MS/s, 两次采样间的间隔为 300Mm/2.4M=125m，即两次采样的距离是125米
Ettus USRP B210的采样率为61.44MS/s,两次采样间的间隔为 300Mm/61.44M=4.88m，即两次采样的距离是4.88米

RTL-SDR是基于带有 RTL2832U 芯片的 DVB-T 电视调谐器，价格非常便宜。被无线电爱好者破解后，可以作为SDR使用。可以简单的认为它是一个数字无线电接收机。有很多人为它开发过一些软件，例如作为GPS接收机。
Ettus USRP B210是一个强大的数字无线电收发设备，拥有非常大的带宽。

简单总结一下

DW1000的系统时间寄存器实际更新率为124.8MHz ，用于定时发送，光距离分辨为240cm
DW1000的系统时间寄存器理论更新率为63.8976 GHz ，用于确定接收帧的时间戳及天线延时校准等，光距离分辨为0.469cm

DW1000支持UWB的Channel 1/2/3/4/5/7，频率从3494.4MHz到6489.6MHz

3494.4MHz的波长为299.702547Mm /3494.4M=0.085766m (299.702547Mm为光速，299.702547M米)
6489.6MHz的波长为299.702547Mm /6489.6M=0.04618m (299.702547Mm为光速，299.702547M米)
3494.4MHz的一个时钟周期为0.286ns
6489.6MHz的一个时钟周期为0.154ns

DW1000向空中发送UWB信号时，我们定义一个UWB数据包，其中会定义一些数据。那么，UWB数据包中1Bit占用多少时间，对应多大的长度?

110 kbps的一位用时 1/110000=9.09us
850 kbps的一位用时 1/850000=1.176us
6.8 Mbps的一位用时 1/6800000=0.147us=147ns*29.97=4367.64cm

DW1000的时间戳

DW1000有几个寄存器，可以读到帧的接收时间、帧的发送时间，寄存器是40Bits的，时间单位是(1.0/499.2e6/128.0) = 15.65e-12秒，即15.65ps。这些寄存器的高8位可以忽略，因为DW1000之间的通讯距离不会有那么远，以致于需要那么长的时间帧才会到达。
2^40=0xFFFFFFFFFF=1099511627775
1099511627775*15.65ps = 17,207,356,974,678.75ps = 17,207ms
对于40Bits, 大约17秒多就回绕一次
2^32=0xFFFFFFFF=4294967295
4294967295*15.65ps =67,216,238,166.75ps = 67ms
对于32Bits, 大约67毫秒多就回绕一次

Seq32 分析

每一个UWB数据包都有一个序号seq。我们使用uint32 seq32记录这个序号。
最大值是0xFFFFFFFF，十进制值为4294967295
假设1ms发送一个数据包，那么可以表达4294967295ms
4294967295ms = 4294967s
4294967s/3600 = 1193小时
1193/24=49天
实际上我们每200ms发一个包，简化为100ms发一个包，那么可以表达4900天。相当于13年。因为每一次充电都会导致标签重启，seq32重新从0开始计数。
所以，我们基本上不用考虑seq32会重绕的情况。

STM32 MCU 选型

这个选型数据是2016年做的，过了这么多年，ST公司的产品有了很大变化。你需要自己重做一次功课。这个选型只能供参考。
TREK1000 的 MUC 是 STM32F105RCT6, 256K Flash, 64K RAM, STM32F10X_CL
Tripoint的MCU是STM32F031G6,32K Falsh, 4KRAM,UFQFPN28 Footer
候选：

STM32F103RET6, 64Pin, 512K Flash, 64KRAM
STM32F103C6T6, 48Pin, 32K Flash, 10KRAM, STM32F10X_MD for TAG
STM32F103C8T6, 48Pin, 64K Flash, 20KRAM, STM32F10X_MD
STM32F103CBT6, 48Pin, 128K Flash, 20KRAM, STM32F10X_MD
STM32F103T8, 36Pin, 64K Flash, 20KRAM, STM32F10X_MD
STM32F103TB, 36Pin, 128K Flash, 20KRAM, STM32F10X_MD
STM32L151C8T6: 64KFlash, 4KEEPROM, 32KRAM
STM32L151CBT6: 128KFlash, 4KEEPROM, 16KRAM
STM32L151CCT6: 256KFlash, 8KEEPROM, 32KRAM
STM32F030F4P6, TSSOP-20, 16KFlash, 4KRAM
STM32F030K6T6, TQFP32, 32KFlash, 4KRAM
STM32F030C8T6, TQFP48, 64KFlash, 8KRAM

我们最终的选择是基站使用 STM32F103RET6, 标签使用 STM32F103CBT6。STM32L系列和STM32F0系列当时虽然列入候选，但是有采购困难/价格高等原因没有选择。
STM32每块芯片都有唯一ID，我们根据这个ID分配一个MAC地址和对应的EUI64 ID。这一步在设备出厂前进行。这样，我们就可以保证每一个出厂的基站和标签都有唯一的MAC地址和EUI64 ID。