摘要：提出了基于對稱雙邊兩路測距(SDS-TWR)機制的無線定位節點設計方案。定位節點采用NA5TR1為無線定位節點的核心器件，該器件內部集成了具有雙邊兩路測距功能的模塊和2．45 GHz ISM RF收發器，利用ATmega644v單片機為控制器，完成無線定位節點的整體設計，并給出無線定位節點電路原理圖。節點通過測量不同基站間數據延遲時間差，實時計算出基站間的距離，經上位機對距離數據的處理，實現對目標的定位。測試結果表明，定位節點測距精度高，通信最遠距離達600 m。
關鍵詞：無線定位；節點設計；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，根據不同領域對定位精度的要求，以上技術應用于實時定位跟蹤、醫療、工業檢查及控制、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，可以實現定位精度在1 m以內，經過軟放大或硬件放大后，數據傳輸距離可達800m。
1 無線定位系統
無線定位系統包括參考節點和移動節點，參考節點按照一定的規律固定地放置在需要定位的區域，一般將參考節點放置在矩形區域的4個頂角位置，并按照矩形的兩條平行線進行區域擴展，移動節點放置在被定位的實體上。選擇一個參考節點與上位機連接，實現數據的采集及處理，從而實現定位的目的。由于NA5TR1具有測距的功能，上位機接收到的數據是不同參考節點到被定位實體的距離，利用合理的算法，對距離數據進行計算處理，最終實現目標定位。
2 定位節點的特征
定位節點是放置在需要定位區域的固定參考節點，該節點具有體積小、功耗低、高精度測距的功能、并能實現無線數據的收發。定位節點主要包括ATmega644v單片機、NA5TR1無線射頻芯片、電源模塊及接口模塊等組成。NA5TR1芯片實現無線數據的收發并具有測距功能，單片機通過SPI接口實現對NA5TR1的控制及數據處理和與上位機連接。由于需要定位區域的環境狀況的不確定性及定位節點需要長時間的工作，在設計定位節點時需要選擇性能穩定、成本低、集成度高、測距精度高的芯片，NA5TR1內部集成了具有雙邊兩路測距的功能模塊和2．45 GHz ISM RF收發器。滿足高精度定位節點設計的要求。
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級：T=-40～+85℃，帶內載波干擾比(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位通用的數據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、數據分散延遲線吸收、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。或者22MHz的帶寬。這樣可以與符合ISM帶寬的設備實現信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技術實現。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基站的數據包發給B基站，B基站的一個應答數據包發給A基站。B基站的數據包發給A基站，A基站的一個應答數據包發給B基站。采用信號傳播延遲(發送和應答)和響應數據包的處理延遲，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 定位節點的設計
定位節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，實現外部5 V電源轉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、采用精簡指令集結構、具有64 K在線可編程存儲器、2 K的EEPROM、4 K的內部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增強精簡指令集結構的8位微處理器。一個時鐘周期執行一條指令，指令執行速度達到1MIP-S。AVR內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同時訪問。采用精簡指令集結構的AVR單片機比傳統的采用復雜指令集結構的單片機執行代碼的速度快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串口通信，也可以與USB轉串口的CH341T的輸出口相連。
4．2 通信模塊
NA5TR1提供3個可自由調整中心頻率的非重疊2.4GHzISM頻道，支持多個獨立物理層網絡，并能夠提高與現有2．4GHz無線技術共存時的網絡性能。數據通訊速率為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試要求并不十分嚴格，這大大簡化了系統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)協議的支持，并實現前向糾錯(FEC)和128位硬件加密。為了降低對微控制器和軟件的要求，NA5TR1芯片同時提供不規則的自動地址匹配及數據包重發功能。NA5TR1 TRX無線收發器集成了數字色散延遲線(DDDL)，它負責接收并區分其他NA5TR1收發機發出的兩種信號。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信號的區別，僅表現在復雜頻譜的相位信息中。這個相位信息足以被數字色散延遲線(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時間)。通過這種方式，數字色散延遲線(DDDL)作為匹配濾波器過濾傳輸脈沖，芯片內部數據傳輸過程如圖3信號接收，圖4信號發射。
4．3 電源模塊
NA5TR1芯片內部分成數字部分和模擬部分，數字部分提供控制芯片的可編程的接口和數字緩沖區，數字緩沖區用來存放要發送的數據和接收的數據。模擬部分將數字信號轉換成模擬尖脈沖用來發送和將接收到的尖脈沖轉換成數字信號。模擬部分只能通過數字部分進行訪問。
為了最大限度的節能，數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據的發送和接收的部分，只有需要的時候才上電，以達到芯片最大限度的節能。
4．4 設計注意事項
無線定位節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越小越穩定越好。介電常數越小，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 結束語
近年來隨著無線通信技術的發展，無線定位節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，叮滿足不同行業的應用要求，基于該芯片的無線定位節點設計方案有很好的應用前景。