CN104320156A - 一种脉冲无线电超宽带模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置服务领域，公开了一种脉冲无线电超宽带IR-UWB模块。本发明中，IR-UWB模块采用模块化结构；其中，微控制单元用于与UWB收发器芯片交互，实现位置服务功能的物理层和MAC层协议控制；UWB收发器芯片实现UWB信号的收发。由于IR-UWB模块采用模块化结构，向用户屏蔽了IR-UWB系统的软硬件设计细节并提供了可高度定制化的软件编程接口，大大降低了用户进行二次开发的难度，提高了开发效率；并且，同一模块可用于IR-UWB系统内多种不同角色设备的开发，提高了设计的复用程度，有效摊薄了开发成本；此外，IR-UWB模块的设计、生产和调试，均采用规模量化工艺，从而使得系统一致性得到良好保证。

Description

一种脉冲无线电超宽带模块

技术领域

本发明涉及位置服务领域，特别涉及一种脉冲无线电超宽带(IR-UWB)模块。

背景技术

脉冲无线电超宽带(Impulse Radio Ultra Wide Band，简称“IR-UWB”)技术，是一种短距离通信技术，具有对信道衰落不敏感，发射信号功率谱密度低，系统复杂度低，抗干扰，抗多径，强穿透，定位精度达分米级等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的位置服务和高速无线接入应用。

IR-UWB技术从根本上区别于常见的RF技术，IR-UWB采用“无载波”体系结构，它不需要使用高频载波产生硬件、载波调制硬件、频率和相位鉴别硬件或在传统的频域通信系统中采用的其它设备。由于IR-UWB技术的上述特点，其特别适合于位置服务中，包括测距和定位等应用。通常，IR-UWB设备进行测距和定位采用基于时间或时间差的算法。

比如，一种位置服务功能实现方法是飞行时间算法(Time Of Flight，简称“TOF”)，主要用于一维测距，如图1所示。图中，UWB测距仪发送测距请求给UWB测距标签，并记录发送时刻t1；UWB测距标签收到测距请求后，生成测距应答，并反馈给UWB测距仪，测距应答中包含测距标签生成测距应答所花费的时间T1；UWB测距仪记录收到测距应答的时刻t2；UWB测距仪采用(t2-t1-T1)/2，可计算得到UWB信号从UWB测距仪传输到UWB测距标签的时间ΔT，光速乘以ΔT就得到UWB测距仪与UWB测距标签之间的距离。

另一种位置服务功能实现方法是到达时间差算法(Time Difference OfArrival，简称“TDOA”)，主要用于三维定位，如图2所示。图中，UWB定位标签周期性发送信标信息，UWB定位基站(1、2、3、4)监听标签信标信息，并将各自测量到的到达时间测量值(TOA1、TOA2、TOA3、TOA4)汇报给定位服务器。在所有设备严格同步的基础上，定位服务器基于到达时间测量值TOA1、TOA2、TOA3、TOA4，计算到达时间差，结合预先精确标定的UWB定位基站(1、2、3、4)的坐标，通过立体几何曲面交会的计算方法，计算得到UWB定位标签的具体位置。

在现代通信、数字信号处理、计算机和微电子等各种高新技术迅猛发展的大背景下，采用高集成度通用模块的设计方法，可充分利用已有的硬件和软件设计成果，避免不同开发团队同一水平上的重复研制，从而降低研制风险，缩短研制周期，节省研制费用。同时，本定位模块采用了开放性的模块软硬件结构，便于用户实现系统集成与深入的功能定制。目前采用IR-UWB技术的厂商还是以定制方案为主，根据自身需要设计自己的电路，不同厂商间的设计难以复用，这给校准和测试都带来了困难，无法批量处理。市场上尚未出现针对系统开发商二次开发需求、集软件协议和标准硬件接口于一身的通用IR-UWB模块产品。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲无线电超宽带模块，具备标准化的硬件接口和可深入定制的开放式软件编程接口，有效降低行业用户将IR-UWB精准位置服务功能集成到其已有系统中的设计门槛。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种脉冲无线电超宽带模块(简称“IR-UWB模块”)，该IR-UWB模块采用模块化结构，包含UWB收发器芯片和微控制单元MCU；其中，所述MCU用于与所述UWB收发器芯片交互，实现位置服务功能的物理层和MAC层协议控制；所述UWB收发器芯片与天线连接，实现UWB信号的收发。

本发明实施方式相对于现有技术而言，将包含脉冲UWB收发器芯片和微控制单元MCU的IR-UWB模块设计成模块化结构；其中，MCU用于与UWB收发器芯片交互，实现位置服务功能的物理层和MAC层协议控制；UWB收发器芯片与天线连接，实现UWB信号的收发。由于IR-UWB模块采用模块化结构，向用户屏蔽了UWB系统的软硬件设计细节并提供了可高度定制化的软件编程接口(API)，大大降低了用户进行二次开发的难度，提高了开发效率；并且，同一定位模块可用于定位系统内多种不同角色设备的开发，通过提高设计的复用程度，有效摊薄了开发成本；使得定位模块的设计、生产和调试，均采用规模量化工艺，相对于用户从零开始独立进行的小规模产品开发，产品一致性得到良好保证。

另外，通过外部硬件连接将所述IR-UWB模块配置成主设备或从设备；通过配置MCU的协议栈，实现不同的位置服务功能。通过硬件连接及软件配置，可实现不同位置服务功能的动态配置，进一步提高了UWB模块的复用程度。

另外，通过以下方式使IR-UWB模块的应用灵活多样，为IR-UWB模块的广泛使用提供基础：

(1)在IR-UWB模块配置成主设备时，通过启动所述MCU内部软件配置协议栈，将UWB模块配置成一维测距系统里的测距标签或三维定位系统里的定位标签。

(2)在IR-UWB模块配置成从设备时，IR-UWB模块还提供标准硬件接口和软件握手协议，与外部控制器CPU交互，实现位置服务功能的软件配置。

(3)在IR-UWB模块配置成从设备时，可通过软件配置实现位置服务功能的动态切换，具体地说，外部控制器向所述MCU发命令，MCU从其内部存储器中读取并配置所述位置服务功能相应的协议栈；其中，不同位置服务功能相应的协议栈软件均预先存储在内部存储器中。或者，外部控制器CPU加载所述位置服务功能相应的协议栈软件至所述MCU。此种情况下，IR-UWB模块可配置成一维测距系统里的测距仪或测距标签，三维定位系统里的定位基站或定位标签。

另外，标准硬件接口包含以下任意之一或任意组合：UART2、SPI、I²C、USB。使本发明实施方式的IR-UWB模块可以提供丰富的接口类型，供用户在实际设计中选择使用。

另外，所述IR-UWB模块还设有与所述UWB收发器芯片连接的天线连接管脚，用于与外部天线连接。所述IR-UWB模块通过所述天线连接管脚与外部天线连接。也就是，IR-UWB模块通过定制化外接天线，一方面可以防止用户端系统对IR-UWB模块本身的屏蔽可能，保证UWB射频信号收发的良好性能；另一方面也为用户根据通信频段优化天线提供了可能。

附图说明

图1是现有IR-UWB测距技术中采用的TOF计算方法的基本原理示意图；

图2是现有IR-UWB定位技术中采用的TDOA计算方法的基本原理示意图；

图3是根据本发明一较佳实施方式的IR-UWB模块的结构示意图；

图4是根据本发明一较佳实施方式的IR-UWB模块配置成主设备的硬件连接示意图；

图5是根据本发明一较佳实施方式的IR-UWB模块的MCU软件模块框图；

图6是根据本发明一较佳实施方式的IR-UWB模块配置成从设备的硬件连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的一较佳实施方式涉及一种IR-UWB模块，该IR-UWB模块实现了IR-UWB系统中各设备的模块化。IR-UWB模块采用模块化结构，主要包括UWB收发器芯片和微控制单元MCU；其中，MCU用于与UWB收发器芯片交互，实现位置服务功能的物理层和MAC层协议控制；UWB收发器芯片与天线连接，实现UWB信号的收发。

如图3所示，IR-UWB模块具体包含：基板以及固定于基板上的UWB收发器芯片和微控制单元MCU；UWB收发器芯片与MCU连接，UWB收发器芯片和MCU采用表面贴片工艺焊接在基板上。一方面，UWB收发器芯片将来自于模块天线连接管脚的接收信号输出至MCU；另一方面，MCU将待发送信号传送给UWB收发器芯片，经模块天线连接管脚发送出去。

与现有技术相比，本实施方式通过对包含UWB收发器芯片和微控制单元MCU的IR-UWB模块采用模块化结构，向用户屏蔽了IR-UWB系统的软硬件设计细节并提供了可高度定制化的软件编程接口(API)，大大降低了用户进行二次开发的难度，提高了开发效率；并且，同一定位模块可用于定位系统内多种不同角色设备的开发，通过提高设计的复用程度，有效摊薄了开发成本；使得定位模块的设计、生产和调试，均采用规模量化工艺，相对于用户从零开始独立进行的小规模产品开发，产品一致性得到良好保证。

本实施方式的基板可以采用四边具有双面焊盘的电路板，该双面焊盘是IR-UWB模块的输入管脚或输出管脚，实现与IR-UWB模块外部器件的互连。本实时方式的IR-UWB模块可通过外部硬件连接将IR-UWB模块配置成主设备或从设备；并通过配置MCU的协议栈，实现不同的位置服务功能。

通过若干管脚的不同连接关系将IR-UWB模块配置成主设备或从设备。比如说，如图4所示，模式选择管脚32和射频地31之间短路连接，电源管脚26和芯片使能管脚27连接电源，天线连接管脚30连接外部天线，可将IR-UWB模块配置成主设备。IR-UWB模块通过启动MCU内部软件配置协议栈，图5所示为MCU内软件模块框图，简单来说，配置模块根据欲实现的不同位置服务功能，配置不同的协议栈，控制外部接口以及物理层接口协同实现不同的位置服务功能。典型应用是根据位置服务功能需要配置成一维测距系统里的测距标签；或者三维定位系统里的定位标签；参见表1所示。

表1

具体地说，配置成主设备时，IR-UWB模块可作为一维测距系统里的测距标签，其中，UWB收发器芯片用于接收一维测距系统里的测距仪发出的测距请求，并将测距应答反馈给一维测距系统里的测距仪；而MCU根据测距请求，生成测距应答，并输出给UWB收发器芯片发送出去。

配置成主设备时，IR-UWB模块也可作为三维定位系统里的定位标签；MCU生成标签信标信息，输出给UWB收发器芯片；UWB收发器芯片周期性将标签信标信息发送出去，供三维定位系统里的定位基站监听。

此外，IR-UWB模块配置成从设备时，IR-UWB模块可通过标准硬件接口和软件握手协议，与外部控制器CPU交互，实现位置服务功能的软件配置。比如，如图6所示，外部控制器CPU作为主机，通过专用电源来控制IR-UWB模块。模式选择管脚32接地，以便从内置闪存加载代码启动；或者32管脚设置为高电平，则外部控制器可通过重写IR-UWB模块闪存的方式加载软件代码或协议。

具体地说，标准硬件接口包含以下任意之一或任意组合：UART、SPI、I²C、USB，使本发明实施方式的IR-UWB模块可以提供丰富的接口类型，供用户在实际使用中选择。比如，图6中，编号为6的管脚与外部控制器连接，IR-UWB模块通过该管脚向外部控制器发送中断信号，唤醒外部控制器。编号为2的管脚与外部控制器连接，外部控制器通过该管脚向IR-UWB模块的MCU发送中断信号，唤醒MCU。而外部控制器通过编号为12、14、15、16(SPI接口)或18、19(UART或I²C)向IR-UWB模块发送命令，实现位置服务功能的软件配置。

作为从设备时，IR-UWB模块的软件配置通过以下两种方式实现：

(1)在MCU内部存储器足够大时，不同位置服务功能相应的协议栈软件均预先存储在内部存储器中。外部控制器向MCU发命令，MCU从其内部存储器中读取并配置位置服务功能相应的协议栈。

(2)在MCU内部存储器不足以存储所有位置服务功能的协议栈软件时，可通过外部控制器CPU加载位置服务功能相应的协议栈软件至MCU，MCU根据加载的协议栈软件配置位置服务功能相应的协议栈。

此外，值得说明的是，可通过软件配置实现模块功能的动态切换，也就是说，在将IR-UWB模块配置成从设备时，可通过外部控制器与MCU的交互，更新协议栈，使IR-UWB模块从一种功能切换至另一种功能。比如说，当前IR-UWB模块为一维测距系统里的测距仪，则MCU运行的是测距仪相应的协议栈软件，如果要将IR-UWB模块切换为三维定位系统里的定位基站，只需要通过外部控制器向MCU发出命令，使MCU停止执行测距仪相应的协议栈软件，并向MCU加载定位基站相应的协议栈软件，系统重启后MCU开始执行定位基站相应的协议栈软件，从而实现了模块功能的动态切换。

参见表1所示，配置成从设备时，IR-UWB模块可作为一维测距系统里的测距仪。作为测距仪时，UWB收发器芯片用于发送测距请求至一维测距系统里的测距标签，并接收测距标签反馈的测距应答；MCU生成测距请求，输出给UWB收发器芯片；MCU在接收到测距应答时，还根据测距应答，计算测距仪与测距标签之间的距离。

配置成从设备时，IR-UWB模块也可作为为一维测距系统里的测距标签。作为测距标签时，UWB收发器芯片用于接收一维测距系统里的测距仪发出的测距请求，并将测距应答反馈给一维测距系统里的测距仪；MCU根据测距请求，生成测距应答，并输出给UWB收发器芯片。

配置成从设备时，IR-UWB模块也可与外部控制器一起作为三维定位系统里的基站。作为基站时，IR-UWB模块用于侦听三维定位系统里的定位标签周期性发送的标签信标信息；并将接收到标签信标信息的时间信息上报给外部控制器；外部控制器将时间信息发送到定位服务器。

配置成从设备时，IR-UWB模块还可配置为三维定位系统里的定位标签。作为定位标签时，MCU生成标签信标信息，输出给UWB收发器芯片；UWB收发器芯片周期性将标签信标信息发送出去，供三维定位系统里的基站监听。

此外，值得说明的是，外部设备控制接口可以通过参数配置，设置成以下任意之一或任意组合：UART、SPI、I²C、USB。通过参数配置的方式，将数量有限的外部设备控制接口管脚配置成用户需要的接口类型，简化了IR-UWB模块的硬件设计，避免了用户使用单一或少量接口时，管脚的闲置，从而简化了用户系统的设计。进一步地，IR-UWB模块还设有与MCU连接的Vdd_IO_MCU电压设置管脚，方便与具有不同参考电平的外部设备对接，实现兼容化设计。

此外，IR-UWB模块还设有与UWB收发器芯片连接的天线连接管脚；通过该天线连接管脚可将IR-UWB模块与外部天线连接。也就是说，IR-UWB模块通过定制化外接天线，一方面可以防止用户端系统对UWB模块本身的屏蔽可能，保证UWB射频信号收发的良好性能；另一方面也为用户根据通信频段优化天线提供可能。

值得说明的是，UWB收发器芯片为采用CMOS工艺实现的集基带处理和UWB射频单元为一体的高集成度单芯片方案。由于目前现有其他厂商的IR-UWB方案中，均采用分立元件完成IR-UWB位置服务功能的设计，而分立元件方案，缺乏通过芯片固件(firmware)达成的配置灵活性，无法在同一设计中兼容多种设备模式，从系统架构看无法达到模块的标准化、通用化要求；同时，产品的设计思路和最终市场定位也是目前未达成定位产品模块化的主观制约因素。本实施方式通过创新的产品思维、多模式兼容的固件开发和先进的单芯片IR-UWB收发器方案，保证了本实施方式的IR-UWB模块的可实现性。

并且，本实施方式的IR-UWB模块还外设金属屏蔽罩，使得IR-UWB模块的所有元器件均位于金属外壳内。由于金属屏蔽罩对于射频信号有屏蔽、隔离作用，一方面防止外部射频信号干扰本IR-UWB模块正常工作，另一方面也大大降低IR-UWB模块自身信号对外界的辐射杂散强度。

此外，本领域技术人员可以理解，本实施方式只列举了IR-UWB模块中的主要元器件，即UWB收发器芯片和MCU，但并不能说明本实施方式的IR-UWB模块内仅有UWB收发器芯片和MCU，为使IR-UWB模块实现其功能所需的其他元器件也应包含在本实施方式中，比如：线性低压差稳压器(regulator)，不间断线性低压差稳压器(也就是一直开着的线性低压差稳压器，与线性低压差稳压器的区别在于其一直保持工作状态，regulator AlwaysON)，32KHz外部时钟输入(XTAL)以及26MHz电压控制－温补晶体振荡器(VCTCXO)，其功能以及各部件的连接关系与现有的分立元器件设计方案中类似，在此不一一赘述。并且，本实施方式的IR-UWB模块还设有一些辅助功能管脚，使本实施方式的IR-UWB模块得以正常工作，比如，模块使能(Module Enable)输入管脚，Vbat输入管脚以及外部参考电压输出管脚(Ext.Ref.Voltage)等，在此也不一一赘述。

本领域的普通技术人员可以理解，上述实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种脉冲无线电超宽带IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块采用模块化结构；

所述IR-UWB模块包含UWB收发器芯片和微控制单元MCU；

其中，所述MCU用于与所述UWB收发器芯片交互，实现位置服务功能的物理层和介质访问控制MAC层协议控制；

所述UWB收发器芯片与天线连接，实现UWB信号的收发。

2.根据权利要求1所述的IR-UWB模块，其特征在于，通过外部硬件连接将所述IR-UWB模块配置成主设备或从设备；

通过配置MCU的协议栈，实现不同的位置服务功能。

3.根据权利要求2所述的IR-UWB模块，其特征在于，在将所述IR-UWB模块配置成主设备时，通过启动所述MCU内部软件配置协议栈。

4.根据权利要求3所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为一维测距系统里的测距标签；

所述UWB收发器芯片用于接收一维测距系统里的测距仪发出的测距请求，并将测距应答反馈给一维测距系统里的测距仪；

所述MCU根据所述测距请求，生成测距应答，并输出给所述UWB收发器芯片。

5.根据权利要求3所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为三维定位系统里的定位标签；

所述MCU生成标签信标信息，输出给所述UWB收发器芯片；

所述UWB收发器芯片周期性将所述标签信标信息发送出去，供三维定位系统里的定位基站监听。

6.根据权利要求2所述的IR-UWB模块，其特征在于，在所述IR-UWB模块配置成从设备时，所述IR-UWB模块还提供标准硬件接口和软件握手协议，与外部控制器CPU交互，实现位置服务功能的软件配置。

7.根据权利要求6所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述位置服务功能的软件配置通过以下方式实现：

所述外部控制器向所述MCU发命令，MCU从其内部存储器中读取并配置所述位置服务功能相应的协议栈；

其中，不同位置服务功能相应的协议栈软件均预先存储在内部存储器中。

8.根据权利要求6所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述位置服务功能的软件配置通过以下方式实现：

外部控制器CPU加载所述位置服务功能相应的协议栈软件至所述MCU。

9.根据权利要求7或8所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为一维测距系统里的测距仪；

所述UWB收发器芯片用于发送测距请求至一维测距系统里的测距标签，并接收所述测距标签反馈的测距应答；

所述MCU生成测距请求，输出给所述UWB收发器芯片；还根据测距应答，计算测距仪与测距标签之间的距离。

10.根据权利要求7或8所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为一维测距系统里的测距标签；

所述UWB收发器芯片用于接收一维测距系统里的测距仪发出的测距请求，并将测距应答反馈给一维测距系统里的测距仪；

所述MCU根据所述测距请求，生成测距应答，并输出给所述UWB收发器芯片。

11.根据权利要求7或8所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为三维定位系统里的定位基站；

所述UWB模块用于监听三维定位系统里的定位标签周期性发送的标签信标信息；并将接收到标签信标信息的时间信息上报给所述外部控制器；

所述外部控制器将所述时间信息发送到定位服务器。

12.根据权利要求7或8所述的IR-UWB模块，其特征在于，所述IR-UWB模块配置为三维定位系统里的定位标签；

所述MCU生成标签信标信息，输出给所述UWB收发器芯片；

所述UWB收发器芯片周期性将所述标签信标信息发送出去，供三维定位系统里的定位基站监听。