一种UWB三射频测距电路的制作方法

本实用新型涉及位置服务技术领域，具体涉及一种uwb三射频测距电路。

背景技术：

最近几年随着对精确定位技术需求的增加，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，催生了一系列无线定位技术诸如uwb，wifi，zigbee，蓝牙，超声波，红外线等，其中uwb定位技术具有时间分辨率高，穿透力强，抗多径衰弱能力强和抗干扰能力强的特点，使uwb更为适用于室内定位，而其他技术大都由于易受环境影响，定位精度低，定位距离近等，无法满足室内高精度定位的要求。

在室内定位领域会出现多个待定位目标，对于多目标场景，对标签定位势必出现定位不同标签之间的干扰问题，以及定位速度慢的问题。目前对于多个uwb标签定位，为了防止通信冲突导致的定位失败，普遍采取的是tdma方法，即一个调度周期内包含多个时隙，在一个时隙内完成一个uwb标签的定位，由于标签的时钟漂移，一段时间之后要进行校准，所以调度周期不宜过大，再加上其他开销，这样在一个调度周期内标签容量就会很小。若使用三射频基站进行定位，三射频基站上的三个uwb射频模块采用不同的信道，相当于有三个并行调度周期，此时在相同的时间可以定位的标签数目接近原来的3倍。若对于多标签采用单射频的定位，在每个基站放置处需同时放几个单射频基站来实现同时定位多个标签，这样虽然提高了定位容量和速度，但是却增加了开销，而且多个基站不利于统一控制，会使整个定位系统调度更复杂。

技术实现要素：

本实用新型提出的一种uwb三射频测距电路，可使采用不同信道的三个uwb射频模块并行工作，可以把测距速度提高接近3倍，以解决在多目标场景中定位速度慢、标签容量小的问题，同时保证开销不会太高。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种uwb三射频测距电路，包括电源模块、接口模块、主控模块、多射频转接板、三个uwb射频模块、三个led模块；电源模块与主控模块相连，用于为主控模块以及通过多射频转接板连接的uwb射频模块提供3.3v的工作电压；接口模块与上位机系统相连，用于与高层数据库及处理过程进行信息交互；主控模块采用mcu为主控芯片，通过spi接口读写uwb射频模块；多射频转接板与主控模块和uwb射频模块相连，用于连接主控模块和uwb射频模块；uwb射频模块包括具有uwb收发器功能的通信芯片及射频天线，三个uwb射频模块均通过多射频转接板与主控模块通信，用于实现uwb信号的收发；led模块与uwb射频模块相连，三个led模块分别用于指示三个uwb射频模块的收发状态。

主控模块通过spi接口读写uwb射频模块，由于uwb三射频测距电路有三个uwb射频模块，故需从主控模块的mcu引出2个gpio引脚连接到多射频转接板上的二/四译码器的输入端，从二/四译码器的四个输出端选取三个分别连接到三个uwb射频模块的片选线上，通过控制两个gpio引脚的电平高低来产生4个信号，其中的3个信号ss1、ss2、ss3用来片选三个uwb射频模块中的一个进行通信，另一个信号用来关闭片选，spi的其它信号线sck、mosi及miso经多射频转接板以总线方式并联到三个uwb射频模块上，由它们共同使用这3条信号线；

主控模块上电之后，需要对三个uwb射频模块进行复位，把上述经过二/四译码器得到的作为片选线的三个信号线，分别与主控模块引出的一条gpio引脚共同连接到多射频转接板上的三个二输入或门的输入端，三个二输入或门的输出端分别连三个uwb射频模块的复位端rstn1、rstn2、rstn3，可以实现复位指定的uwb射频模块；

所述uwb射频模块在收发uwb信号产生中断时，从三个uwb射频模块引出中断线irq1、irq2、irq3分别连接到多射频转接板上的三输入或门的三个输入端，三输入或门的输出端连接到主控模块的中断线irq上，三个uwb射频模块只要有一个产生中断请求就会触发主控模块的中断响应，主控模块处理中断时，三个uwb射频模块又有中断产生时，主控模块不会立即处理，而是等到当前中断处理完成后再通过轮询三个uwb射频模块的状态寄存器来判断是哪个产生的中断，进而片选该uwb射频模块进行处理；

三个led模块分别与三个uwb射频模块相连，每个led模块都有两个led灯用来指示对应的uwb射频模块的接收和发送uwb信号的状态。

由上述技术方案可知，本实用新型所述的uwb三射频测距电路及其驱动方法，通过在传统单射频基站上扩展三个uwb射频模块构成三射频基站，三射频基站上的每个uwb射频模块可分别与具有相同信道的单射频标签进行测距，当三射频基站上的三个uwb射频模块采用不同的信道，三个单射频标签采用与三射频基站对应的三个信道，可实现三射频基站上的三个uwb射频模块并行工作，即一个三射频基站同时和三个标签并行测距，使测距速度比传统单射频基站提升接近3倍。

附图说明

图1为本实用新型实例中uwb三射频测距系统示意图；

图2为本实用新型实例中uwb三射频测距模块结构图；

图3为本实用新型实例中主控模块和uwb射频模块和led模块连接原理图；

图4为本实用新型实例中uwb三射频测距电路的驱动方法的流程图；

图5为本实用新型实例中任务和中断切换时序图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实用新型实施例的一种uwb三射频测距系统，包括单射频标签和使用三射频测距电路的三射频基站，三射频基站安装在固定的位置，三个单射频标签安装在待测目标上，三射频基站上的三个uwb射频模块采用不同的信道，三个单射频标签采用与三射频基站对应的三个信道，三射频基站上的每个uwb射频模块可分别与具有相同信道的单射频标签进行通信，测出标签距离基站的距离，通过接口模块和电脑相连，在电脑上显示实时测距距离和待测目标的位置。三个不同的信道可实现三个uwb标签同时测距，即测距速度比传统单射频基站提升接近3倍，若再增加两个三射频基站，可同时解算出三个待测目标的位置，其中，信道1、信道2、信道3代表互不干扰或干扰较小的不同信道。

如图2所示，所述uwb三射频测距电路包括电源模块、接口模块、主控模块、多射频转接板、三个uwb射频模块、三个led模块。

电源模块与主控模块相连，用于为主控模块以及通过多射频转接板连接的uwb射频模块提供3.3v的工作电压；接口模块与上位机系统相连，用于与高层数据库及处理过程进行信息交互；主控模块采用mcu为主控芯片，通过spi接口读写uwb射频模块；多射频转接板与主控模块和uwb射频模块相连，用于连接主控模块和uwb射频模块；uwb射频模块包括具有uwb收发器功能的通信芯片及射频天线，三个uwb射频模块均通过多射频转接板与主控模块通信，用于实现uwb信号的收发，获取收发信号的时间戳；led模块与uwb射频模块相连，三个led模块分别用于指示三个uwb射频模块的收发状态。

所述主控模块通过spi接口读写uwb射频模块，由于uwb三射频测距电路有三个uwb射频模块，故需从主控模块的mcu引出2个gpio引脚连接到多射频转接板上的二/四译码器的输入端，从二/四译码器的四个输出端选取三个分别连接到三个uwb射频模块的片选线上，通过控制两个gpio引脚的电平高低来产生4个信号，其中的3个信号ss1、ss2、ss3用来片选三个uwb射频模块中的一个进行通信，另一个信号用来关闭片选，spi的其它信号线sck、mosi及miso经多射频转接板以总线方式并联到三个uwb射频模块上，由它们共同使用这3条信号线；

所述主控模块上电之后，需要对三个uwb射频模块进行复位，把上述经过二/四译码器得到的作为片选线的三个信号线，分别与主控模块引出的一条gpio引脚共同连接到多射频转接板上的三个二输入或门的输入端，三个二输入或门的输出端分别连三个uwb射频模块的复位端rstn1、rstn2、rstn3，可以实现复位指定的uwb射频模块；

所述uwb射频模块在收发uwb信号产生中断时，从三个uwb射频模块引出中断线irq1、irq2、irq3分别连接到多射频转接板上的三输入或门的三个输入端，三输入或门的输出端连接到主控模块的中断线irq上，三个uwb射频模块只要有一个产生中断请求就会触发主控模块的中断响应，主控模块处理中断时，三个uwb射频模块又有中断产生时，主控模块不会立即处理，而是等到当前中断处理完成后再通过轮询三个uwb射频模块的状态寄存器来判断是哪个产生的中断，进而片选该uwb射频模块进行处理；

所述三个led模块分别与三个uwb射频模块相连，每个led模块都有两个led灯用来指示对应的uwb射频模块的接收和发送uwb信号的状态。

如图3所示，为主控模块、三个uwb射频模块和三个led模块之间的连接原理图，其中主控模块和三个uwb射频模块之间的连接部分即为多射频转接板，包括主控模块的主控芯片stm32f105、三个uwb射频模块的通信芯片第一dw1000芯片u5、第二dw1000芯片u6、第三dw1000芯片u7、第一二输入或门u1a、第二二输入或门u1b、第三二输入或门u1c、二四译码器u2a、三输入或门u3a、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第一电阻r1、第一电阻r2、第一电阻r3、第一电阻r4、第一电阻r5、第一电阻r6、第一led灯d1、第一led灯d2、第一led灯d3、第一led灯d4、第一led灯d5、第一led灯d6，其中的stm32f105和dw1000只画了部分引脚。主控模块的主控芯片stm32f105的pa4和pb0引脚连二四译码器u2a的输入端，二四译码器u2a的前三个输出端分别连三个uwb射频模块的dw1000的spics引脚；二四译码器u2a的前三个输出端还分别连三个二输入或门u1a、u1b、u1c的第二输入端，stm32f105的pa3引脚分别连三个二输入或门u1a、u1b、u1c的第一输入端，三个二输入或门u1a、u1b、u1c的输出端分别连三个dw1000的rstn引脚；stm32f105的pa5引脚分别连三个dw1000的spiclk引脚，三个dw1000的spiclk引脚连三个电容c1、c2、c3的一端，三个电容c1、c2、c3的另一端分别连gnd；stm32f105的pa6引脚分别连三个dw1000的spimiso引脚；stm32f105的pa7引脚分别连三个dw1000的spimosi引脚；stm32f105的pa2引脚连三输入或门u3a的输出端，三输入或门u3a的三个输入端分别连三个dw1000的irq引脚；第一dw1000芯片u5的gpio2引脚连第一电阻r1的一端，第一电阻r1的另一端连第一led灯d1的阳极，第一dw1000芯片u5的gpio3引脚连第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端连第二led灯d2的阳极，第一led灯d1的阴极和第二led灯d2的阴极共同接gnd；第二dw1000芯片u6的gpio2引脚连第三电阻r3的一端，第三电阻r3的另一端连第三led灯d3的阳极，第二dw1000芯片u6的gpio3引脚连第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端连第四led灯d4的阳极，第三led灯d3的阴极和第四led灯d4的阴极共同接gnd；第三dw1000芯片u7的gpio2引脚连第五电阻r5的一端，第五电阻r5的另一端连第五led灯d5的阳极，第三dw1000芯片u7的gpio3引脚连第六电阻r6的一端，第六电阻r6的另一端连第六led灯d6的阳极，第五led灯d5的阴极和第六led灯d6的阴极共同接gnd。

如图4、图5所示，本实用新型实例所述的uwb三射频测距电路的驱动方法，应用于上述uwb三射频测距电路，具体步骤如下：

s1：创建三个优先级相同的任务，分别为任务1、任务2、任务3，构成一个就绪任务队列，三个任务分别对应三个uwb射频模块控制它们完成收发uwb信号的相关功能，由于每个uwb射频模块完成的功能是一样的，所以每个任务的执行代码都是一样的；为每个任务赋值一个参数cs来选择对应的uwb射频模块，其中cs＝1，2，3，在每个任务中的参数cs是一个特定的值，即任务1的参数cs＝1，任务2的参数cs＝2，任务3的参数cs＝3；

s2：运行任务x，其中x＝1，2，3，初始化三射频测距电路的uwb射频模块x，通过参数cs和gpio引脚的电平信号复位指定的uwb射频模块x；配置相应参数，为每个任务配置不同的信道参数，其他参数配置相同，对于全局变量采用结构体数组分别存储，使三个任务独立运行，把对三个uwb射频模块的操作分隔开，三个任务设置不同的信道，即三个uwb射频模块采用不同的信道，保证在与三个采用不同信道的单射频标签通信时互不干扰，并行测距；

s3：主控模块通过spi接口读写uwb射频模块，发送指令控制uwb射频模块收发uwb信号，uwb射频模块通过中断电路产生中断告知主控模块已完成状态转化，并通过led模块指示出来，由于处理中断会轮询三个uwb射频模块判断是哪个射频模块发出的中断请求，故在退出中断处理程序返回到原任务时，应使原任务和参数cs的对应关系不变，防止读写与任务不匹配的uwb射频模块，只要有一个uwb射频模块产生中断，就会停止执行当前任务而去处理中断，当处理完当前发生的所有中断后，返回继续运行原任务；其中中断1、中断2、中断3分别代表uwb射频模块1、uwb射频模块2、uwb射频模块3产生的中断。

s4：当任务x本次执行结束时会调用调度器，此时任务x加入就绪队列末尾，调度器从就绪队列中依次运行下一个任务，在下一个任务中主控模块通过spi接口读写另一个uwb射频模块并控制其工作；调度器循环调度三个任务直到又运行到任务x，主控模块把定位相关数据和指令发送给uwb射频模块后，uwb射频模块便可以独立工作，当处于发送状态时，uwb射频模块会自动地按照配置发送完整的一帧，并自动地记录时间戳等操作，当处于接收状态时，uwb射频模块会持续侦听信号并接收，上述过程均是uwb射频模块的硬件实现，无需主控模块控制，此时的主控模块可执行其他任务，即开始执行对另一个uwb射频模块的任务；由于主控模块运行任务的时间相比于uwb射频模块收发信号及信号在空气中传播的时间短，三个uwb射频模块可在主控模块的较少时间的串行控制下并行工作；

s5：循环执行步骤s3和s4，在此期间测得的距离通过接口模块上传到上位机系统。

由上述技术方案可知，本实用新型实施例所述的uwb三射频测距电路及其驱动方法，通过在传统单射频基站上扩展三个uwb射频模块构成三射频基站，三射频基站上的每个uwb射频模块可分别与具有相同信道的单射频标签进行测距，当三射频基站上的三个uwb射频模块采用不同的信道，三个单射频标签采用与三射频基站对应的三个信道，可实现三射频基站上的三个uwb射频模块并行工作，即一个三射频基站同时和三个标签并行测距，使测距速度比传统单射频基站提升接近3倍。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。