UWB高精度定位系统中标签的设计

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中国集成电路应用
China lntegrated Circult CIC
2014·1-2· http：//www.cicmag.com （总第176-177 期）
1 引言
随着无线定位系统的发展，为了适用于幼儿园、
医院、变电站、监狱等场所对特殊群体的监控，因此
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）高精度无线定位系
统应运而生并逐渐成为研究热点。整个系统包括定
位基站、同步控制器、定位引擎软件和标签[1]。UWB
高精度定位系统采用了超宽带技术，它是一种无线
载波通信技术，利用纳秒级别的非正弦波窄带脉冲
传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB 定位
UWB高精度定位系统中标签的设计
侯国利，吴寿勇，苟孟洛
（成都理工大学，四川成都，610059）
摘要：介绍了UWB 高精度定位系统中标签的设计，标签是一种便携式、低功耗无线通信模块。本设计是基
于C8051F921 单片机和nRF24L01 低功耗无线收发芯片组成的硬件结构,设计包括电源的设计，采用了
尺寸较小的锂电池。UWB 窄带脉冲可以达到纳秒级，延时抖动延时完全在允许的范围内。最终设计的标
签实现了在系统的控制下，完成数据收发，使定位精度在30cm 内。
关键字：UWB；单片机；低功耗；nRF24L01；标签
Design of tag in UWB high precision location system
HOU Guo-li, WU Shou-yong，GOU Meng-luo
（ChengDu University of Technology, ChengDu 610059, China）
Abstract: The design of the sag , in UWB high precision location system, was introduced, since tags is a portable,
low-power wireless communication module. The hardware structure of his design is based on C8051F921 MCU and
RF24L01 low power consumption of wireless transceiver chip, including the design of smaller lithium battery as power
supply, UWB narrow pulse can reach nanosecond, delay jitter completely within the permitted range. In this design,
data transceiver of the sag under the controlling of the system can be realized, with the location accuracy reaching up
to 30 cm.
Keywords: UWB；C8051F921；low power consumption; nRF24L01; tag
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采用了TDOA（时间到达差）算法，减弱了外界对其
的干扰，使定位误差减小。UWB 定位技术的出现填
补了高精度定位领域的空白。它具有对信道衰落不
敏感、截获能力低、系统复杂度低、能提供高达30cm
的定位精度优点。高精度定位系统标签是有源标签，
可以固定在物体、车辆或人员上使用，它的定位精度
达到30cm，标签发出的UWB 脉冲信号，通过定位
基站接收和传输。每一个标签定位时都各自有一个
唯一的ID，可通过这唯一的ID 将定位的物体联系
起来，使定位基站通过标签找到实际定位的位置。
因而标签的设计至关重要，它涉及到射频知识，且必
须是便携式，低功耗。本文对标签的便携和低功耗
进行了详细的设计。
2 硬件设计
主要针对无线传输系统的nRF24L01 无线射频
收发模块和C8051F921 单片机控制器模块的接口
进行设计。优先考虑的是标签的低功耗和尺寸，因
此整个电路的元器件选型和整个电路搭建要尽量减
小功耗和尺寸，比如对灯的设计就采用了双色LED
灯，可以满足指示标签不同工作状态。整个硬件结
构如图1 所示。
整个模块设计包括以C8051F921 单片机为核
心的控制电路、以nRF24L01 为核心的无线收发电
路、电源电路及相关指示电路等电路部分组成。
2.1 微控制器电路
考虑到标签的佩戴方便和无线收发等特点，所
以控制器的选型要求尺寸要尽量小并且低功耗。所
以系统选择了带有SPI 接口的C8051F921 单片机，
便于和nRF24L01 连接。C8051F921 是低功耗混合
信号片上系统（SOC）型的MCU，单节/ 双节电池操
作，内建DC-DC 升压型转换器，便于对电源电压的
控制，当电源电压低于1.8V 时可以通过有源蜂鸣器
进行报警，内部有32KB 的片内FLASH 存储器，足
够对数据和程序存储。该单片机内置C2 编程接口
方便编程接口的设计并且只占用了单片机的两个
I/O 口，节省了资源。增强型UART 便于通过上行电
脑对标签进行数据传输和改写。最重要的是，
C8051F921 单片机对低功耗的设计更为合理，休眠
时功耗抵，唤醒所需时间短，内含电源监控模块等优
点，并且通过内置AD 对电源电压进行采集并和
1.8V 进行比较，当低于这个值时通过声音、光、振动
进行报警。
2.2 nRF24l01 无线收发部分
nRF24L01 是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通
用ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包
括：频率发生器、增强型SchockBurst 模式控制器、功
率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器，输出功率、
频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设
置。nRF24L01 可以直接接在单片机串口使用，数据
无需曼彻斯特编码，可直接传输串口数据，效率高，
数据传输速率可达1 或2 Mb/s，收发天线合一。电流
功耗极低：在能正常发射的条件下，最低发射功率为
-6dBm，与此相应的电流消耗为9.0mA；而接受条件
下接受模式电流为12.3mA。掉电模式和待机模式下
电流消耗更低。因此，在目前较为流行的无线通信芯
片中，无论是从使用的方便性、尺寸大小、低功耗还
图1 标签的硬件结构图是传输速度等各个方面考虑，nRF24L01 都是这次设
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计比较理想的选择[2]。nRF24L01 的接口电路如图2
所示。
nRF24L01 所有寄存器配置都可以通过SPI 总
线完成的，该芯片的SPI 接口是标准的SPI 接口最
大传输率为10Mbps，并且nRF24L01 是通过SPI 接
口与单片机交换数据，如果外部控制器没有SPI 接
口，可以用I/O 控制口模拟。ANT1 和ANT2 输出脚
是给天线提供稳定的RF 输出。在输出功率最大时
（0 dBm），推荐使用负载阻抗15Ω，这样，通过简单
的网络匹配可以获得较低的阻抗。XC1 和XC2 接入
16 MHz 晶振，为了实现晶体振荡器低功耗和快速启
动的目的，建议使用电容值较小的电容，考虑成本因
素通常用7.0 pF 的电容。
单片机通过I/O 口模拟SPI 接口控制nRF24L01。
nRF24L01 的SCK 引脚与单片机的P1.3 引脚相连；
nRF24L01 的MOSI 引脚与单片机的P1.4 引脚连
接，nRF24L01 的MISO 引脚与单片机的P1.5 引脚
连接，实现串行数据传输；nRF24L01 的IRQ 与单片
机的P1.6 相连，作为中断控制；nRF24L01 的CSN
引脚与P1.2 连接，nRF24L01 的CE 引脚与单片机的
P1.1 相连，无线通信模块的工作模式由PWR-UP、
PRIM-RX 寄存器和CE 决定（在后文的软件实现部
分中再做详细描述）。
3 软件设计
正确的设置工作模式对于使用无线射频收发芯
片至关重要，对于nRF24L01 而言，它的工作模式设
置主要包括发送、接收、待机和掉电四个状态，这是
由PWR-UP、PRIM-RX、CE 三个引脚共同决定。具
图2 nRF24L01 接口电路图
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图3 标签工作流程
表1 nRF24L01 工作模式配置
体配置如表1 所示。
无线定位系统标签的软件设计主要包括休眠，
定时醒来检测是否有数据到来，如检测到数据时，说
明进入网络覆盖区域了，此时标签注册入网。然后
检测是否有数据，如有，则向定位系统发送脉冲，让
系统用于定位；如无数据则再次进入休眠
以省电[3]。
在提高系统性能和保证通信效率的
前提下，依据发送数据和接收数据的特
性，采用查询和中断两种模式来分别完成
数据的发送与接收。标签在系统中工作程
序流程图如图3 所示。
4 结论
在UWB 高精度定位系统中，基于C8051F921
和nRF24L01 所设计的标签满足定位精度高（精度
可达30cm 内），功耗低，外部干扰小等优点。因为单
片机和射频芯片工作时都采用16M 晶振，所以对产
生的纳秒级窄带脉冲延时抖动误差很小，基本在本
设计的允许范围内。在外部同步控制器的同步信号
协调作用下可以高精度的完成收发数据。可以实现
对幼儿园、监狱、航空、医院等特殊人群的监控。
参考文献
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[2]朱华,王玫,樊孝明.UWB 定位系统中标签接收机
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冲产生方法[J]. 现代电子技术,2006,29（10）:
119-120,123.
作者简介
侯国利，成都理工大学信息科学与技术学院硕士研
究生，主要研究方向为嵌入式系统。
吴寿勇，成都理工大学信息科学与技术学院硕士研
究生，主要研究方向为信息采集和处理、核仪器研
究。
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2014-10-1 06:18 上传

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