一種脈沖無線電超寬帶模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及位置服務(wù)領(lǐng)域，公開了一種脈沖無線電超寬帶IR-UWB模塊。本發(fā)明中，IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)；其中，微控制單元用于與UWB收發(fā)器芯片交互，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的物理層和MAC層協(xié)議控制；UWB收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)UWB信號的收發(fā)。由于IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，向用戶屏蔽了IR-UWB系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計細(xì)節(jié)并提供了可高度定制化的軟件編程接口，大大降低了用戶進(jìn)行二次開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率；并且，同一模塊可用于IR-UWB系統(tǒng)內(nèi)多種不同角色設(shè)備的開發(fā)，提高了設(shè)計的復(fù)用程度，有效攤薄了開發(fā)成本；此外，IR-UWB模塊的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試，均采用規(guī)模量化工藝，從而使得系統(tǒng)一致性得到良好保證。
【專利說明】一種脈沖無線電超寬帶模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及位置服務(wù)領(lǐng)域，特別涉及一種脈沖無線電超寬帶（IR-UWB)模塊。

【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖無線電超寬帶（Impulse Radio Ultra Wide Band，簡稱 " IR-UWB"）技術(shù)，是 一種短距離通信技術(shù)，具有對信道衰落不敏感，發(fā)射信號功率譜密度低，系統(tǒng)復(fù)雜度低，抗 干擾，抗多徑，強(qiáng)穿透，定位精度達(dá)分米級等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的位置 服務(wù)和高速無線接入應(yīng)用。
[0003] IR-UWB技術(shù)從根本上區(qū)別于常見的RF技術(shù)，IR-UWB采用"無載波"體系結(jié)構(gòu)，它 不需要使用高頻載波產(chǎn)生硬件、載波調(diào)制硬件、頻率和相位鑒別硬件或在傳統(tǒng)的頻域通信 系統(tǒng)中采用的其它設(shè)備。由于IR-UWB技術(shù)的上述特點(diǎn)，其特別適合于位置服務(wù)中，包括測 距和定位等應(yīng)用。通常，IR-UWB設(shè)備進(jìn)行測距和定位采用基于時間或時間差的算法。
[0004] 比如，一種位置服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)方法是飛行時間算法（Time Of Flight，簡稱 "T0F")，主要用于一維測距，如圖1所示。圖中，UWB測距儀發(fā)送測距請求給UWB測距標(biāo)簽， 并記錄發(fā)送時刻tl ;UWB測距標(biāo)簽收到測距請求后，生成測距應(yīng)答，并反饋給UWB測距儀，測 距應(yīng)答中包含測距標(biāo)簽生成測距應(yīng)答所花費(fèi)的時間Tl ;UWB測距儀記錄收到測距應(yīng)答的時 亥Ij t2 ;UWB測距儀采用（t2-tl-Tl) /2,可計算得到UWB信號從UWB測距儀傳輸?shù)経WB測距 標(biāo)簽的時間ΛΤ，光速乘以ΛΤ就得到UWB測距儀與UWB測距標(biāo)簽之間的距離。
[0005] 另一種位置服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)方法是到達(dá)時間差算法（Time Difference Of Arrival，簡稱"TDOA"），主要用于三維定位，如圖2所示。圖中，UWB定位標(biāo)簽周期性發(fā)送 信標(biāo)信息，UWB定位基站（1、2、3、4)監(jiān)聽標(biāo)簽信標(biāo)信息，并將各自測量到的到達(dá)時間測量值 (T0A1、T0A2、T0A3、T0A4)匯報給定位服務(wù)器。在所有設(shè)備嚴(yán)格同步的基礎(chǔ)上，定位服務(wù)器 基于到達(dá)時間測量值T0A1、T0A2、T0A3、T0A4,計算到達(dá)時間差，結(jié)合預(yù)先精確標(biāo)定的UWB定 位基站（1、2、3、4)的坐標(biāo)，通過立體幾何曲面交會的計算方法，計算得到UWB定位標(biāo)簽的具 體位置。
[0006] 在現(xiàn)代通信、數(shù)字信號處理、計算機(jī)和微電子等各種高新技術(shù)迅猛發(fā)展的大背景 下，采用高集成度通用模塊的設(shè)計方法，可充分利用已有的硬件和軟件設(shè)計成果，避免不同 開發(fā)團(tuán)隊同一水平上的重復(fù)研制，從而降低研制風(fēng)險，縮短研制周期，節(jié)省研制費(fèi)用。同時， 本定位模塊采用了開放性的模塊軟硬件結(jié)構(gòu)，便于用戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成與深入的功能定制。 目前采用IR-UWB技術(shù)的廠商還是以定制方案為主，根據(jù)自身需要設(shè)計自己的電路，不同廠 商間的設(shè)計難以復(fù)用，這給校準(zhǔn)和測試都帶來了困難，無法批量處理。市場上尚未出現(xiàn)針對 系統(tǒng)開發(fā)商二次開發(fā)需求、集軟件協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)硬件接口于一身的通用IR-UWB模塊產(chǎn)品。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖無線電超寬帶模塊，具備標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口和可 深入定制的開放式軟件編程接口，有效降低行業(yè)用戶將IR-UWB精準(zhǔn)位置服務(wù)功能集成到 其已有系統(tǒng)中的設(shè)計門檻。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種脈沖無線電超寬帶模塊（簡 稱" IR-UWB模塊"），該IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，包含UWB收發(fā)器芯片和微控制單元 MCU ;其中，所述MCU用于與所述UWB收發(fā)器芯片交互，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的物理層和MAC層 協(xié)議控制；所述UWB收發(fā)器芯片與天線連接，實(shí)現(xiàn)UWB信號的收發(fā)。
[0009] 本發(fā)明實(shí)施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，將包含脈沖UWB收發(fā)器芯片和微控制單元 MCU的IR-UWB模塊設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)；其中，MCU用于與UWB收發(fā)器芯片交互，實(shí)現(xiàn)位置服 務(wù)功能的物理層和MAC層協(xié)議控制；UWB收發(fā)器芯片與天線連接，實(shí)現(xiàn)UWB信號的收發(fā)。由 于IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，向用戶屏蔽了 UWB系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計細(xì)節(jié)并提供了可高度 定制化的軟件編程接口（API)，大大降低了用戶進(jìn)行二次開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率；并 且，同一定位模塊可用于定位系統(tǒng)內(nèi)多種不同角色設(shè)備的開發(fā)，通過提高設(shè)計的復(fù)用程度， 有效攤薄了開發(fā)成本；使得定位模塊的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試，均采用規(guī)模量化工藝，相對于用 戶從零開始獨(dú)立進(jìn)行的小規(guī)模產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品一致性得到良好保證。
[0010] 另外，通過外部硬件連接將所述IR-UWB模塊配置成主設(shè)備或從設(shè)備；通過配置 MCU的協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)不同的位置服務(wù)功能。通過硬件連接及軟件配置，可實(shí)現(xiàn)不同位置服務(wù) 功能的動態(tài)配置，進(jìn)一步提高了 UWB模塊的復(fù)用程度。
[0011] 另外，通過以下方式使IR-UWB模塊的應(yīng)用靈活多樣，為IR-UWB模塊的廣泛使用提 供基礎(chǔ)：
[0012] (1)在IR-UWB模塊配置成主設(shè)備時，通過啟動所述MCU內(nèi)部軟件配置協(xié)議棧，將 UWB模塊配置成一維測距系統(tǒng)里的測距標(biāo)簽或三維定位系統(tǒng)里的定位標(biāo)簽。
[0013] (2)在IR-UWB模塊配置成從設(shè)備時，IR-UWB模塊還提供標(biāo)準(zhǔn)硬件接口和軟件握手 協(xié)議，與外部控制器CPU交互，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的軟件配置。
[0014] (3)在IR-UWB模塊配置成從設(shè)備時，可通過軟件配置實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的動態(tài)切 換，具體地說，外部控制器向所述MCU發(fā)命令，MCU從其內(nèi)部存儲器中讀取并配置所述位置 服務(wù)功能相應(yīng)的協(xié)議棧；其中，不同位置服務(wù)功能相應(yīng)的協(xié)議棧軟件均預(yù)先存儲在內(nèi)部存 儲器中?；蛘?，外部控制器CPU加載所述位置服務(wù)功能相應(yīng)的協(xié)議棧軟件至所述MCU。此種 情況下，IR-UWB模塊可配置成一維測距系統(tǒng)里的測距儀或測距標(biāo)簽，三維定位系統(tǒng)里的定 位基站或定位標(biāo)簽。
[0015] 另外，標(biāo)準(zhǔn)硬件接口包含以下任意之一或任意組合：說抑2、5?1、12(：、舊8。使本發(fā) 明實(shí)施方式的IR-UWB模塊可以提供豐富的接口類型，供用戶在實(shí)際設(shè)計中選擇使用。
[0016] 另外，所述IR-UWB模塊還設(shè)有與所述UWB收發(fā)器芯片連接的天線連接管腳，用 于與外部天線連接。所述IR-UWB模塊通過所述天線連接管腳與外部天線連接。也就是， IR-UWB模塊通過定制化外接天線，一方面可以防止用戶端系統(tǒng)對IR-UWB模塊本身的屏蔽 可能，保證UWB射頻信號收發(fā)的良好性能；另一方面也為用戶根據(jù)通信頻段優(yōu)化天線提供 了可能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是現(xiàn)有IR-UWB測距技術(shù)中采用的TOF計算方法的基本原理示意圖；
[0018] 圖2是現(xiàn)有IR-UWB定位技術(shù)中采用的TDOA計算方法的基本原理示意圖；
[0019] 圖3是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施方式的IR-UWB模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施方式的IR-UWB模塊配置成主設(shè)備的硬件連接示意 圖；
[0021] 圖5是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施方式的IR-UWB模塊的MCU軟件模塊框圖；
[0022] 圖6是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施方式的IR-UWB模塊配置成從設(shè)備的硬件連接示意 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施 方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明實(shí)施方式中，為了 使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以 下實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0024] 本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式涉及一種IR-UWB模塊，該IR-UWB模塊實(shí)現(xiàn)了 IR-UWB系 統(tǒng)中各設(shè)備的模塊化。IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括UWB收發(fā)器芯片和微控制單 元MCU ;其中，MCU用于與UWB收發(fā)器芯片交互，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的物理層和MAC層協(xié)議控 制；UWB收發(fā)器芯片與天線連接，實(shí)現(xiàn)UWB信號的收發(fā)。
[0025] 如圖3所示，IR-UWB模塊具體包含：基板以及固定于基板上的UWB收發(fā)器芯片和 微控制單元MCU ;UWB收發(fā)器芯片與MCU連接，UWB收發(fā)器芯片和MCU采用表面貼片工藝焊 接在基板上。一方面，UWB收發(fā)器芯片將來自于模塊天線連接管腳的接收信號輸出至MCU ; 另一方面，MCU將待發(fā)送信號傳送給UWB收發(fā)器芯片，經(jīng)模塊天線連接管腳發(fā)送出去。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施方式通過對包含UWB收發(fā)器芯片和微控制單元MCU的 IR-UWB模塊采用模塊化結(jié)構(gòu)，向用戶屏蔽了 IR-UWB系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計細(xì)節(jié)并提供了可高 度定制化的軟件編程接口（API)，大大降低了用戶進(jìn)行二次開發(fā)的難度，提高了開發(fā)效率； 并且，同一定位模塊可用于定位系統(tǒng)內(nèi)多種不同角色設(shè)備的開發(fā)，通過提高設(shè)計的復(fù)用程 度，有效攤薄了開發(fā)成本；使得定位模塊的設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試，均采用規(guī)模量化工藝，相對于 用戶從零開始獨(dú)立進(jìn)行的小規(guī)模產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)品一致性得到良好保證。
[0027] 本實(shí)施方式的基板可以采用四邊具有雙面焊盤的電路板，該雙面焊盤是IR-UWB 模塊的輸入管腳或輸出管腳，實(shí)現(xiàn)與IR-UWB模塊外部器件的互連。本實(shí)時方式的IR-UWB模 塊可通過外部硬件連接將IR-UWB模塊配置成主設(shè)備或從設(shè)備；并通過配置MCU的協(xié)議棧， 實(shí)現(xiàn)不同的位置服務(wù)功能。
[0028] 通過若干管腳的不同連接關(guān)系將IR-UWB模塊配置成主設(shè)備或從設(shè)備。比如說，如 圖4所示，模式選擇管腳32和射頻地31之間短路連接，電源管腳26和芯片使能管腳27連 接電源，天線連接管腳30連接外部天線，可將IR-UWB模塊配置成主設(shè)備。IR-UWB模塊通過 啟動MCU內(nèi)部軟件配置協(xié)議棧，圖5所示為MCU內(nèi)軟件模塊框圖，簡單來說，配置模塊根據(jù) 欲實(shí)現(xiàn)的不同位置服務(wù)功能，配置不同的協(xié)議棧，控制外部接口以及物理層接口協(xié)同實(shí)現(xiàn) 不同的位置服務(wù)功能。典型應(yīng)用是根據(jù)位置服務(wù)功能需要配置成一維測距系統(tǒng)里的測距標(biāo) 簽；或者三維定位系統(tǒng)里的定位標(biāo)簽；參見表1所示。
[0029] 表 1
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種脈沖無線電超寬帶IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊采用模塊化結(jié) 構(gòu)； 所述IR-UWB模塊包含UWB收發(fā)器芯片和微控制單元MCU ; 其中，所述MCU用于與所述UWB收發(fā)器芯片交互，實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能的物理層和介質(zhì)訪 問控制MAC層協(xié)議控制； 所述UWB收發(fā)器芯片與天線連接，實(shí)現(xiàn)UWB信號的收發(fā)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IR-UWB模塊，其特征在于，通過外部硬件連接將所述IR-UWB 模塊配置成主設(shè)備或從設(shè)備； 通過配置MCU的協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)不同的位置服務(wù)功能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的IR-UWB模塊，其特征在于，在將所述IR-UWB模塊配置成主設(shè) 備時，通過啟動所述MCU內(nèi)部軟件配置協(xié)議棧。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為一維測距 系統(tǒng)里的測距標(biāo)簽； 所述UWB收發(fā)器芯片用于接收一維測距系統(tǒng)里的測距儀發(fā)出的測距請求，并將測距應(yīng) 答反饋給一維測距系統(tǒng)里的測距儀； 所述MCU根據(jù)所述測距請求，生成測距應(yīng)答，并輸出給所述UWB收發(fā)器芯片。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為三維定位 系統(tǒng)里的定位標(biāo)簽； 所述MCU生成標(biāo)簽信標(biāo)信息，輸出給所述UWB收發(fā)器芯片； 所述UWB收發(fā)器芯片周期性將所述標(biāo)簽信標(biāo)信息發(fā)送出去，供三維定位系統(tǒng)里的定位 基站監(jiān)聽。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的IR-UWB模塊，其特征在于，在所述IR-UWB模塊配置成從設(shè)備 時，所述IR-UWB模塊還提供標(biāo)準(zhǔn)硬件接口和軟件握手協(xié)議，與外部控制器CPU交互，實(shí)現(xiàn)位 置服務(wù)功能的軟件配置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述位置服務(wù)功能的軟件配置通 過以下方式實(shí)現(xiàn)： 所述外部控制器向所述MCU發(fā)命令，MCU從其內(nèi)部存儲器中讀取并配置所述位置服務(wù) 功能相應(yīng)的協(xié)議棧； 其中，不同位置服務(wù)功能相應(yīng)的協(xié)議棧軟件均預(yù)先存儲在內(nèi)部存儲器中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述位置服務(wù)功能的軟件配置通 過以下方式實(shí)現(xiàn)： 外部控制器CPU加載所述位置服務(wù)功能相應(yīng)的協(xié)議棧軟件至所述MCU。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為一維 測距系統(tǒng)里的測距儀； 所述UWB收發(fā)器芯片用于發(fā)送測距請求至一維測距系統(tǒng)里的測距標(biāo)簽，并接收所述測 距標(biāo)簽反饋的測距應(yīng)答； 所述MCU生成測距請求，輸出給所述UWB收發(fā)器芯片；還根據(jù)測距應(yīng)答，計算測距儀與 測距標(biāo)簽之間的距離。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為一 維測距系統(tǒng)里的測距標(biāo)簽； 所述UWB收發(fā)器芯片用于接收一維測距系統(tǒng)里的測距儀發(fā)出的測距請求，并將測距應(yīng) 答反饋給一維測距系統(tǒng)里的測距儀； 所述MCU根據(jù)所述測距請求，生成測距應(yīng)答，并輸出給所述UWB收發(fā)器芯片。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為三 維定位系統(tǒng)里的定位基站； 所述UWB模塊用于監(jiān)聽三維定位系統(tǒng)里的定位標(biāo)簽周期性發(fā)送的標(biāo)簽信標(biāo)信息；并將 接收到標(biāo)簽信標(biāo)信息的時間信息上報給所述外部控制器； 所述外部控制器將所述時間信息發(fā)送到定位服務(wù)器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的IR-UWB模塊，其特征在于，所述IR-UWB模塊配置為三 維定位系統(tǒng)里的定位標(biāo)簽； 所述MCU生成標(biāo)簽信標(biāo)信息，輸出給所述UWB收發(fā)器芯片； 所述UWB收發(fā)器芯片周期性將所述標(biāo)簽信標(biāo)信息發(fā)送出去，供三維定位系統(tǒng)里的定位 基站監(jiān)聽。
【文檔編號】H04B1/7163GK104320156SQ201410535270
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】章旻, 崔龍, 何丹 申請人:上海優(yōu)璞信息科技有限公司