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摘 要

在最近的两年里，通信界最火热的名词莫过于5G。随着5G时代的即将到来，万物互联也成为这个时代发展的终极目标，在万物互联的布局中，极为重要的构成部分之一便是室内测距定位系统。随着行业大鳄以及政府组织大范围进军室内测距领域，这会很快提高用户对于测距服务的体验舒适度，加速测距领域生态圈完善。在最近的几年里，UWB测距定位技术将会渗透进入各行各业的测距定位服务之中，成为室内测距定位的主流技术。

本设计详细介绍了利用UWB技术进行测距的原理和特性，以及意法半导体公司的STM32系列单片机和以DWM1000芯片为核心的性能和特点。并在分析了UWB技术测距的原理的基础上，设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以STM32F103微处理器和DWM1000芯片为核心的精度高、便宜、轻量化的测距装置的硬件电路和软件流程设计思路。

关键词：UWB技术；TOA算法；DW1000；STM32系列单片机

Design of High Precision Ranging Device Based on UWB

Abstract

In the last couple years, the buzz word in the communication industry was 5G. With the dawn of the 5G era, the Internet of Everything has become the final purpose of the advancement in this era. One of the most important components in the layout of the Internet of Everything is the indoor ranging and positioning system. With industry giants and government organizations intervening in indoor ranging location services, this will promote users' rapid recognition of indoor ranging and accelerate the ecological maturity of indoor location services. It is expected that in the last ten years, UWB ranging and positioning technology will penetrate into the ranging location service of various industries and become the mainstream technology of indoor ranging positioning.

This design details the principles and features of UWB technology for ranging and the performance and features of STMicroelectronics' STM32 series microcontrollers and DWM1000 chips. Based on the analysis of the principle of UWB technology ranging, the design of the ranging system and the problems to be tackled are taken into account. Besides, the hardware circuit and software flow design ideas of a high accuracy, low expenditure and light measurement device based on STM32F103 microprocessor and DWM1000 chip are given.

Keywords: UWB；TOA Algorithm，DW1000，STM32 Microcontroller

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 相关技术研究现状 1

1.3 总体技术方案 2

1.4 论文章节安排 2

第二章 UWB测距系统概述 3

2.1 UWB基本原理与系统概念 3

2.2 UWB的实现方式 3

2.3 UWB技术的特点及应用 5

2.4 UWB测距技术概述 7

2.5 基于时间的UWB测距算法 7

2.6 TOA算法的误差分析 10

2.7 本章小结 10

第三章 UWB测距系统硬件设计 11

3.1 系统的硬件结构组成 11

3.2 电源模块的设计 11

3.3 主控模块的设计 12

3.4 超带宽无线收发模块设计 14

3.5 接口转换电路设计 16

3.6 本章小结 16

第四章 UWB测距系统的软件设计 17

4.1 系统软件平台设计 17

4.2 系统初始化 18

4.3 串口驱动开发 19

4.4 SPI驱动开发 20

4.5 IIC驱动开发 21

4.6 系统软件平台仿真 22

4.7 本章小结 24

第五章 结束语 25

参考文献 26

致 谢 27

第一章 绪 论

1.1 研究背景和意义

在户外定位领域，经过多年的发展布局全球定位系统（GPS）已经达到了几乎完美的水平。然而，在室内测距定位领域，虽然有WiFi定位、蓝牙定位等技术在一定环境下具有更好的性能，但它们不能很好地满足普遍环境下的测距和传感系统的要求。如既要测距定位精准又要功耗低最好还能适应各种复杂环境等特点。因此，设计关于UWB技术的测距装置的课题是意义深刻的。

1.1.1 UWB的研究背景

超宽带（UWB）技术是一种新型的脉冲无线电技术^[1]。它是在收发器之间使用纳秒超短脉冲来完成数据传输，而不是使用载波来传播信息。

目前，世界各国的研究人员都有研究高精度的无线测距技术的。对于大多数研究院来说，这依然一项热门课题。然而，现有的测距技术主要分为超声波测距以及红外测距等。这些技术通常具有不同的局限性，例如稳定性差，抗干扰能力差和误差大。根据香农公式，信道带宽B与信噪比S/N之间在一定条件下可以相互转换^[2]；所以，UWB系统可以在低信噪比的环境下运作，且他的功率谱特别低，可以被各种噪声掩盖^[3]。因此，它具有良好的机密性且不容易被拦截，十分适合于短程通信。因此，与以往的测距定位方法比较，基于UWB技术的测距装置具有先天优越性能。

1.2 相关技术研究现状

1.2.1 UWB的国外研究状况

超宽带数据传输技术，也被称作无线电（IR）技术。最早是Harmuth，Ross和Robbins研究由时域脉冲响应控制的微波网络的瞬态行为^[4]。七十年代，UWB被广泛应用于雷达系统中。美国国防部在1989年最早提出了“超带宽”这个专用名词。联邦通信委员会在1998年对UWB是否会对现有通信技术产生干扰以及该技术与现有技术是否兼容的问题进行了辩论，最后还是放开了UWB短程通讯的使用。

2003年，美国进行关于UWB标准的讨论。最后产生了两种竞争标准，一种是Intel支持的一种多频段的MBOA标准；另一种是Motorola支持的单频段的DS-UWB标准。

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