基于DW1000的高速彈丸定距系統設計

馬游春，趙 陽，劉鵬媛，趙 寬

(中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

彈丸爆炸的地點通常為地面和空中，因此引爆方式也分為兩種：空中引爆以及地面引爆[1]。在引爆點高度測量方面，目前在國內外更廣泛地使用高度計或測距儀進行測量。根據其類型，儀器可分為激光測距儀、無線電高度計、雷達高度計和電纜高度計等，但只有測量的物體相對穩定且具有反射點特點時，才可使用高度計測量。但是，從彈丸到空中爆炸的時間很短，不具備反射點，也沒有固定的相對位置，因此，在彈丸高度靠近地面的特殊情況下，普通儀器無法完成測量，或發生重大測量誤差[2]。UWB技術具有能量消耗低，對信道衰落不敏感(例如多徑，非視距和其他信道)，強大的抗干擾能力，能夠做到雖然與其他的設備在相同的環境中，但是卻不產生干擾以及具有極強的穿透力，同時也具有定位精度和定位準確度很高等優點[3]。因此，提出了一種基于DW1000的UWB高速彈丸定距控制技術。

1 系統硬件總體方案設計

當前市面常見的基于DW1000的UWB方案大多用于室內定位和車輛定位，但這些方案對于高速彈丸定距以及其所處的復雜野外測試環境適用性較低。炮彈在飛行過程中具有很快的速度，使用單片機做主控芯片時系統數據采樣率不夠高，定位精度也比較低。為了實現系統實時、完整地采集記錄測試數據，因此選用對芯片時序的精準控制和對輸入信號的響應快速采納答復的FPGA作為系統主控芯[4]。同時為實現測距誤差的厘米級精度選用了Decawave推出的DW1000芯片，但是測量距離較短，所以設計了雙路放大模塊。同時雖然市面上的UWB微帶天線有全向性較差、增益較低或體積較大等缺點，不適合用于炮彈測試系統中，因此設計了一種仿生葉片天線，在實現天線尺寸、效率和帶寬最優平衡的情況下以匹配DW1000射頻收發模塊。

測距系統的主要功能是對彈丸發射高度的距離信息進行采集和存儲，距離信息可以由串口實時顯示，當到達預定高度時彈丸起爆，實現精確控制導彈作戰部引爆彈丸的時間，可在最佳地點起爆；與此同時，在試驗結束后，還可以通過上位機軟件回讀和分析內部儲存距離信息的數據。系統主要由電源管理模塊、FPGA主控模塊、超寬帶(UWB)射頻收發模塊、天線收發模塊、串口通信模塊、flash存儲模塊、時鐘模塊、發射與接收雙路放大模塊構成[5]，如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 系統主控模塊

高速彈丸定距系統需要完成距離信息的采集、存儲和讀取功能，同時還要實現FPGA與FLASH以及上位機的相互通信功能，這些功能都必須通過主控芯片來實現，因此需要主控芯片具有豐富的內部資源來實現各項功能。而且系統要求實時、完整地采集記錄測試數據，因此需要對芯片時序的精準控制，以及對輸入信號的響應速度的快速采納答復。為了完成對系統各個器件的功能控制，主控芯片需要實時接收命令并發送。為了實現數據采集傳輸，必然需要大量的I/O口資源，同時這些I/O口經常要適應不同的傳輸速率，因此還要支持不同的電平標準。而且需要控制芯片有靈活性的要求，一方面可以反復重置芯片的內部程序，另一方面需要為將來的系統升級與功能擴展留有必要的可用空間。

圖1 系統總體設計框圖

結合以上系統要求，因此選擇了ACTEL公司的FPGA可編程邏輯器件AGLN250-VQ100作為系統的主控芯片。該主控芯片具有低成本、低功耗和高性能等諸多優點，它是功耗最低的FPGA，通過使用其Flash*Freeze模式，可以保留所有的SRAM和寄存器信息并仍然可以快速的回復正常操作，用戶可以快速的通過激活進入并退出Flash*Freeze模式并且所有電源保持初始值，大大降低了系統功耗。而且其提供1 kbit片上可重復編程的非易失性FLASH ROM存儲器以及基于PLL的時鐘調節電路施密特觸發器和總線保持測量功能使得其非常適合部署在需要高度靈活性的高速彈丸定距系統中。編程語言上使用VHDL硬件描述語言，函數簡單，編寫相對容易，縮短了開發成本和消耗時間，大大的提升了效率。

2.2 UWB射頻收發模塊

作為測距系統的核心部件，該模塊使用以UWB技術為基礎并符合IEEE802.15.4-2011標準的DW1000無線射頻芯片，當它用于定位時，使用的算法為雙向到達時間差(TDOA)，這樣可以對物體進行準確定位，并且定位的精度能夠達到±10 cm，DW1000的標準操作電壓為3.3 V，它包括了6個RF頻段，頻率范圍從3.5 GHz到6.5 GHz，因此在天線選型時需考慮其工作頻率。DW1000由一個典型的模擬前端(包括一個接收器和一個發射機)以及一個與主處理器相連的用來控制模擬前端的數字后端組成。數字后端從主處理器接收數據進行傳輸，并提供SPI接口接收數據到主機處理器，實施各種控制方案來維持和優化收發器性能，具有較高的數據傳輸速率，非常適合高度反射的射頻環境[6]。

2.3 發射與接收雙路放大模塊

在任何無線通信系統中，接收信號的范圍由很多因素決定包括：發射功率級、發射機天線增益、接收機天線增益、傳播通道中的損耗(例如在空氣中)、接收機靈敏度[7]。為此，將DW1000與外部功率放大器(PA)連接增加發射功率，與低噪聲放大器(LNA)連接提高接收機靈敏度以此來提高通信范圍。

2.3.1 發射路徑放大電路設計

DW1000使用外部功率放大器有3個基本方面需要注意：控制信號、電源供應和射頻電路以及射頻路徑的完整性，因為在DW1000上只有一個單獨的射頻接口用于接收和發送，需要只在發送路徑上增加一個外部放大器，所以在DW1000和天線之間切換射頻路徑[8]。當DW1000在發送模式時，打開放大器，當DW1000在接收模式時，提供一個從天線到芯片上射頻端口的直接路徑。發射路徑放大電路的基本硬件方案如圖2。

圖2 發射路徑放大電路基本硬件方案框圖

2.3.2 接收路徑放大電路設計

為了提高接收機的靈敏度來增加通信距離，因此添加合適的低噪聲放大器(LNA)。將LNA插入到接收機天線和DW1000RF管腳之間的接收路徑通常會使接收機的靈敏度得到3～4 dB的提升，這是通過降低接收器噪聲系數實現的。圖3為LNA并入DW1000接收路徑的基本方案原理圖。

圖3 接入LNA的基本硬件方案原理框圖

接收機靈敏度主要由接收機噪聲系數(NF)決定，通常DW1000具有5 dB的噪聲系數，如果包括巴倫，這個數字增大到大約6 dB，當設計外部LNA方案時，應滿足以下標準：整個接收機的噪聲系數需要降低、提供給DW1000電路的最強接收信號不應超過-39 dBm。

帶有巴倫的DW1000產品具有典型的天線參考噪聲系數6 dB，這個外部LNA方案的設計應旨在將該NF降低至3～4 dB，從而使接收機靈敏度得到2～3 dB的改善。低噪聲放大電路原理圖如圖4所示。

圖4 低噪聲放大電路原理圖

3 系統控制邏輯設計

UWB通信基于幀的發送和接收，它由前導碼(Preamble)和幀定界符的開始(SFD)的同步首部開始，之后PHY首標(PHR)定義該幀的數據有效載荷部分的長度和數據速率[9]。

3.1 DW1000信息接收

當DW1000最初處于接收模式時，首先需要通過寄存器設定接收超時時間，之后打開接收，檢查SYS_STATUS寄存器的RXFCG和ERR位，來判斷芯片狀態[10]，直到成功接收或者發生錯誤，在SYS_STATUS寄存器中清除標志位RXFCG，分別讀取寄存器RX_FINFO和RX_BUFFER來獲得接收到的數據長度和接收數據，判斷所接收到的數據是否是初始發送數據，如果數據正確則獲得初始發送數據的接收時間T2，準備發送確認數據包，首先設置確認數據包的發送時間T3，其次設置發送完成后對方開啟接收的延遲時間、設置接收超時時間，之后發送確認數據包，重復上述操作，等待二次接收，判斷接收到的數據是否為二次確認數據包，獲得接收數據包時的時間T6，從接收的二次確認數據包中可以讀取到T1、T4、T5，至此計算電磁波在空中飛行時間所需的6個時間節點實現全部接收。

3.2 DW1000信息發送

當DW1000最初處于發送模式時，首先設置寄存器TX_BUFFER(傳輸數據緩沖器)、TX_FCTRL(傳輸幀控制)將初始數據包傳給DW1000，再開啟發送時傳出去，等待對方返回確認數據包，期間不斷查詢芯片狀態直到成功接收或者發生錯誤，令幀序列號加1，清除SYS_STATUS寄存器的標志位RXFCG和ERR位，由寄存器RX_FINFO和RX_BUFFER來獲得接收到的數據長度和接收數據，判斷接收到的數據是否是確認數據包，獲得初始數據包發送時間T1和確認數據包接收時間T4，準備發送二次確認數據包，首先設置二次確認數據包的發送時間T5，將所有的時間戳(T1、T4、T5)寫入二次確認數據包中，不斷查詢芯片狀態直到發送完成，圖5所示為具體的程序設計流程。

4 超寬帶微帶天線的建模及仿真

4.1 超寬帶微帶天線的建模及優化

模仿冬青樹葉的紋理來作為輻射單元的結構設計了微帶葉片天線，這樣可以達到減少天線貼片金屬面積的目的，天線的RCS也會有效地減小。為了防止波束傾斜，在天線的設計過程中，需要考慮接地板的設計，因此對接地板做了圓滑處理，來盡可能減小波束傾斜[11]，改進前為長42 mm寬16 mm 的長方形接地板，通過將接地板兩邊做圓滑處理。

圖5 PGA302數據寫入操作流程框圖

由于輻射單元上的仿生設計會破壞天線上的電流，因此，為了改善天線的阻抗匹配并平衡這種失配效應，首先在天線接地板上方開一個方槽[12]，邊長通過Ansoft HFSS軟件優化選擇來模擬方槽的尺寸。通過比較得出，當地板上沒有縫隙時，在3 GHz和8 GHz附近反射系數大于-10 dB。當方槽的邊長為2 mm或2.8 mm時，在1～10 GHz的頻率范圍內，存在大于-10 dB的頻率點。僅當方槽的邊長為2.4 mm時，反射系數才低于-10 dB。因此，開槽的邊長為2.4 mm。

通過幾個相切的等寬度的圓環來模擬葉片天線的紋理結構[13]，通過HFSS軟件仿真優化選取圓環的寬度W，在W=1.4～2.2 mm的范圍內，隨著的W寬度越寬，相應地，天線的阻抗匹配效果越好，從W=2.0 mm開始能滿足在2～7 GHz 范圍內的反射系數均小于-10 dB，為了在保證天線能夠匹配的前提下，同時使貼片的金屬面積盡可能小，故選擇寬度為W=2.0 mm來模擬葉片紋理特征。天線模型如圖6所示。

圖6 葉片天線模型示意圖

4.2 超寬帶微帶天線的仿真分析

對建模的葉片天線使用Ansoft HFSS軟件進行仿真分析，得到其S11曲線如圖7。

圖7 S11曲線

由圖7可知，天線在2～20 GHz范圍內的反射系數均在-10 dB以下，說明該天線具有陷波UWB特性[14]。

天線方向圖普遍由最大輻射波束和旁邊的小波束(也可以說是主瓣和旁瓣)組成，主瓣的大幅度增益下降3 dB亦或者電場下降至最高數值的0.707的時候，所覆蓋的空間角度就是能量轉換器的波束寬度[15]，該天線的三維方向增益圖如圖8所示。由圖8中數據可見，最高增益大于5 dBi。

圖8 天線3D方向增益圖

5 系統測試與結果分析

5.1 測距系統靜態測距誤差Matlab分析

測距系統靜態測距流程為：① 在靜態環境下，測量4個基站分別到25個標簽的距離，得到100個數據文件；② 將串口顯示的數據文件另存為.txt文件，得到距離信息文件；③ 在Matlab軟件中，對100個初始距離進行標記，導入實測的數據文件與實際距離進行比較，得到的4個基站到25個標簽的誤差等值線圖如圖9所示。

圖9 距離誤差等值線圖

在圖9中，4個基站分別為A1、A2、A3和A4，25個測試點為T1至T25，圖9中等值線上的數由0～100表示基站測量的誤差為0～100 cm。同時可看到，在T11、T12、T13和T14處，誤差等值線值為0～30 cm，說明其誤差相對較小，但在T6、T7、T8、T9、T16、T17、T18和T19處，誤差等值線值多為40～60 cm，而后其他的等值線逐漸減少，因此可以分析得到，測距誤差大部分分布在40～60 cm。

5.2 系統動態測試數據

在超寬帶測距中采用的算法一般為TOA(到達時間)測距算法，其理論上測距誤差的最小偏差值在UWB信號的信噪比為4 dB、有效帶寬為2 GHz時，可以達到0.01 m。TOA測距的原理是通過測得電磁波在空中的飛行時間乘以它的傳播速度以此來確定基站與標簽之間的距離。因此，影響測距的最主要的因素是能否精確地得到無線信號的飛行時間。TOA算法經過優化后的TDOA算法可以極大消除時鐘漂移帶來的影響，從而提高測試精度，因此系統所使用的算法為TDOA算法。在搭載所設計的最大增益為5 dBi的超寬帶天線進行的系統地面距離測試中，當以接收天線為核心，發射天線環在不同方向進行距離測試，得到的結果為當雙方距離超過131 056～131 129 cm的范圍后天線信號大量丟失，結合40～60 cm的測距誤差，最終確定系統的極限測試距離為131 072±60 cm。

測試設備參與了某科研單位的近地彈丸爆炸試驗，試驗測試的工作流程為：① 試驗開始前，對測試設備上電，經5 s的復位延時后，系統正式進入待工作狀態;②上位機與串口通信模塊連接，在上位機中對存儲模塊進行擦除操作后，測試設備進入待采集模式;③ 在收到“開始記錄”的命令之后，打開無線串口控制軟件，遠程啟動測試設備，系統內部存儲模塊開始記錄數據;④ 高速彈丸落地后，在無線串口控制軟件中遠程控制設備停止記錄，試驗結束。無線串口控制軟件會實時顯示并記錄高速彈丸的距離信息，sscom軟件顯示的高速彈丸距離信息原始數據如下：

如圖10所示即為將測距系統采集得到的距離信息原始數據經過數據處理軟件origin平滑處理之后得到的發射高度曲線，由曲線可看到，測試系統的測距高度達到802.45 m。

圖10 彈丸發射高度曲線

5 結束語

為了實現高速環境下彈丸炸點高度的精確測量以及對數據的有效采集，設計了一種基于UWB芯片DW1000的測距系統平臺，提出系統硬件總體設計方案并對設計有關的邏輯控制程序，通過進行時序仿真驗證邏輯代碼的正確性。由于無線通信系統的通信范圍受天線增益的影響，為此設計了一種超寬帶微帶天線，在HFSS軟件中進行建模仿真，對其參數進行優化，最終確定的天線模型的增益可以達到5 dBi。通過使用Matlab軟件進行誤差分析，得到誤差等值線圖，可以得到系統的測距誤差為40～60 cm，在實際的動態測試環境中得到距離動態變化數據，得到該系統的測試高度可以達到802 m，進一步驗證了系統平臺的有效性及可靠性。