基于NA5TR1的无线定位节点的设计

摘要：提出了基于对称双边两路测距(SDS-TWR)机制的无线定位节点设计方案。定位节点采用NA5TR1为无线定位节点的核心器件，该器件内部集成了具有双边两路测距功能的模块和2．45 GHz ISM RF收发器，利用ATmega644v单片机为控制器，完成无线定位节点的整体设计，并给出无线定位节点电路原理图。节点通过测量不同基站间数据延迟时间差，实时计算出基站间的距离，经上位机对距离数据的处理，实现对目标的定位。测试结果表明，定位节点测距精度高，通信最远距离达600 m。
关键词：无线定位；节点设计；NA5TR1；ATmega644v

    随着无线通信、微处理器技术的不断进步，推动了无线定位技术的发展。目前常用的无线定位技术有GPS技术、Zibgee技术、蓝牙技术、红外技术等，根据不同领域对定位精度的要求，以上技术应用于实时定位跟踪、医疗、工业检查及控制、安全管理等领域但这些定位技术的定位精度都不高，一般在3m以上。利用NA5TR1芯片，采用均匀的双边两路测距技术，可以实现定位精度在1 m以内，经过软放大或硬件放大后，数据传输距离可达800m。

1 无线定位系统
    无线定位系统包括参考节点和移动节点，参考节点按照一定的规律固定地放置在需要定位的区域，一般将参考节点放置在矩形区域的4个顶角位置，并按照矩形的两条平行线进行区域扩展，移动节点放置在被定位的实体上。选择一个参考节点与上位机连接，实现数据的采集及处理，从而实现定位的目的。由于NA5TR1具有测距的功能，上位机接收到的数据是不同参考节点到被定位实体的距离，利用合理的算法，对距离数据进行计算处理，最终实现目标定位。

2 定位节点的特征
    定位节点是放置在需要定位区域的固定参考节点，该节点具有体积小、功耗低、高精度测距的功能、并能实现无线数据的收发。定位节点主要包括ATmega644v单片机、NA5TR1无线射频芯片、电源模块及接口模块等组成。NA5TR1芯片实现无线数据的收发并具有测距功能，单片机通过SPI接口实现对NA5TR1的控制及数据处理和与上位机连接。由于需要定位区域的环境状况的不确定性及定位节点需要长时间的工作，在设计定位节点时需要选择性能稳定、成本低、集成度高、测距精度高的芯片，NA5TR1内部集成了具有双边两路测距的功能模块和2．45 GHz ISM RF收发器。满足高精度定位节点设计的要求。

3 NA5TR1芯片的性能及特征
    NASTR1是NANOTRON公司推出的具有短距离高精度测距功能的无线射频芯片。该芯片集成了2．45 GHz ISM RF收发器，在硬件方面支持测距功能(链接点之间的距离测量)、FDMA(频分复用通道Frequency Division MultiplexAccess)带有3个非叠加频率通道和7个叠加的频率通道、象征性的0 dBm能量输出、常规条件下，RF灵敏度≤-95 dBm@BER=0．001、RSSI灵敏度达到-95 dBm(仅对于匹配的尖脉冲)，适应的温度范围工业级：T=-40～+85℃，带内载波干扰比(C／I)：C／I=0…3 dB@250 kbps@C=-80 dBm，允许的电压范围：2．3～2．7 V，具有节能的掉电模式，掉电模式下的最小工作电流≤2Ua，外部控制器通过软件控制芯片的节能模式，为外部控制器提供32．768 kHz时钟信号、集成了SPI接口(32 Mb／s，只能是从模式)、集成了帧缓冲器，微控制器管理功能，4位通用的数据I／O口，便于连接传感器，在严实时性和紧急任务计算的条件下，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、数据分散延迟线吸收、快速尖脉冲序列接口、默认的标准指令集、可编程上拉电阻。信道是将一个宽频带分成许多窄频带，NA5TR1所用的带宽是2．4 GHzISM频带(2．4～2．483 5 GHz)。然而，用户可以通过对芯片编程，使用80 MHz的带宽。或者22MHz的带宽。这样可以与符合ISM带宽的设备实现信道共享。NA5TR1的信道功能使用FDMA技术实现。此技术可以将80 MHz频带分成几个独立复用的符合ISM标准的22 MHz的频带。这个窄带能被设成任意的22 MHz的频率。
    NA5TR1可完成测距的功能，采用对称双边两路测距方法(SDS-TWR)。仅用两个基站就可以实现测距，通过两个基站的相互通信及应答，4个通信过程如下：A基站的数据包发给B基站，B基站的一个应答数据包发给A基站。B基站的数据包发给A基站，A基站的一个应答数据包发给B基站。采用信号传播延迟(发送和应答)和响应数据包的处理延迟，两个基站间的距离就可以计算出来，如图1所示。D=(T1-T2)／2。

4 定位节点的设计
    定位节点主要由无线通信模块、处理器模块、电源模块等组成。通信模块采用具有测距功能的NASTR1无线射频芯片，处理器模块采用ATMEL公司的ATmega644v单片机，电源模块采用LM1108-2.5V，实现外部5 V电源转2.5 V，供给芯片使用，也可以直接利用锂电池供电，具体实现如图2所示。

4．1 处理器模块
    处理器型号的选择关系到定位节点的工作性能。ATmega644v单片机是一款高性能、低功耗、采用精简指令集结构、具有64 K在线可编程存储器、2 K的EEPROM、4 K的内部SRAM。单片机具有JTAG接口、串行通信口和SPI接口。
    ATmega644v单片机采用CMOS工艺，基于AVR增强精简指令集结构的8位微处理器。一个时钟周期执行一条指令，指令执行速度达到1MIP-S。AVR内核包含丰富的指令集和32个通用的工作寄存器，通用寄存器直接与算术逻辑单元相连，允许两个独立的寄存器在一个指令周期内同时访问。采用精简指令集结构的AVR单片机比传统的采用复杂指令集结构的单片机执行代码的速度快10倍。
    单片机通过SPI接口控制NA5TR1工作，端口9和端口10为通用串口，可以直接与外部串口线相连实现串口通信，也可以与USB转串口的CH341T的输出口相连。
4．2 通信模块
    NA5TR1提供3个可自由调整中心频率的非重叠2.4GHzISM频道，支持多个独立物理层网络，并能够提高与现有2．4GHz无线技术共存时的网络性能。数据通讯速率为125 kb／s～2 Mb／s可选。由于芯片采用独特的窄脉冲扩频技术天线的调试要求并不十分严格，这大大简化了系统安装和维护的复杂度，并能够做到随拿随放。包含一个性能卓越的MAC控制器，提供对载波侦听、多路访问／冲突避免(CSMA／CA)和时分多址接入(TDMA)协议的支持，并实现前向纠错(FEC)和128位硬件加密。为了降低对微控制器和软件的要求，NA5TR1芯片同时提供不规则的自动地址匹配及数据包重发功能。NA5TR1 TRX无线收发器集成了数字色散延迟线(DDDL)，它负责接收并区分其他NA5TR1收发机发出的两种信号。接收到的信号可能是Up Chirp、Down Chirp中的一种，或者是一个交叠信号(Up Chirp、Down Chirp同时出现的混合信号)，且所有的这些信号具有相同的中心频率和带宽。Up Chirp信号和Down Chirp信号的区别，仅表现在复杂频谱的相位信息中。这个相位信息足以被数字色散延迟线(DDDL)用来在输出口压缩脉冲并在另一端展开(也就是说，将接收到的信号展开到双倍持续时间)。通过这种方式，数字色散延迟线(DDDL)作为匹配滤波器过滤传输脉冲，芯片内部数据传输过程如图3信号接收，图4信号发射。

4．3 电源模块
    NA5TR1芯片内部分成数字部分和模拟部分，数字部分提供控制芯片的可编程的接口和数字缓冲区，数字缓冲区用来存放要发送的数据和接收的数据。模拟部分将数字信号转换成模拟尖脉冲用来发送和将接收到的尖脉冲转换成数字信号。模拟部分只能通过数字部分进行访问。
    为了最大限度的节能，数字部分分成了两部分，始终上电的部分和需要运行的时候才上电的部分，始终上电的部分包括需要控制的最小数字部分，用来维持芯片的设置。此部分与I／O口连接，这些接口控制电源管理器。不始终上电的部分包含了控制数据的发送和接收的部分，只有需要的时候才上电，以达到芯片最大限度的节能。
4．4 设计注意事项
    无线定位节点的设计要求定位精度越高越好，体积越小越好，NA5TR1集成度高、外部电路简单，合理布局电源管脚去耦电容，使用0403电容封装可以满足要求。由于芯片工作的频率比较高，提高定位节点的抗干扰性是设计PCB板的关键，设计PCB板时可以采用多层板，第一层为信号层，第二层为接地层，第三层为电源层，第四层为信号层，利用第二层接地层的屏蔽效应达到射频信号的高质量传输。在板子信号层的空白地方敷铜接地，减少信号线之间的干扰。
    为了达到输出信号最强，需要在平衡变压器输出到天线之间的信号线进行阻抗匹配50Ω，信号传输中没有信号反射产生，这样就使得到达天线的信号最强。输出阻抗与制作PCB的板材、线宽、层间距都有关系。所以在制作PCB时，应该向厂家说明输出部分线路的阻抗匹配要求，由厂家来完成设计和计算，以确保最终的电路板能够符合阻抗匹配要求。通常无线射频电路要求板材的介电常数越小越稳定越好。介电常数越小，层间的电子移动越少，射频信号的泄漏也会越小，射频信号在板上的损失就越小。

5 结束语
    近年来随着无线通信技术的发展，无线定位节点的设计成本不断降低，无线定位技术的使用领域也不断扩大。短距离、低功耗、低成本的窄脉冲扩频技术的提出及应用，使得无线定位节点的定位精度及抗干扰性有了很大的改善。尤其是其独特的测距功能，叮满足不同行业的应用要求，基于该芯片的无线定位节点设计方案有很好的应用前景。