定位基站的硬件设计
定位基站的主控是STM32F103RET6,这个MCU的Flash比较大,RAM也比较大,适合跑RTOS。
基站的UWB收发器使用DW1000芯片。我们前期直接使用DWM1000模块,因为DWM1000模块按射频部分都弄好了,对外提供一些SPI接口,我们不需要操心模拟部分的电路,把心思放在逻辑电路上就好。后期新增了一些基站型,这部分有些改变,新增几种设计:(1)自己做类似DWM1000的模块,可以节省成本;(2)自己的UWB模块使用陶瓷天线、或PCB天线,也有IPX座引出使用外置高增益下划线的; (3)增PA/LNA。原厂在850K的速率下通讯距离最远可到300米,增加PA/LNA后可以达到1000米以上。
网络接口芯片使用W5500,这个芯片使用SPI接口,网速100M。其实就UWB的数据量来看,100M都多了,10M都够用。
电源部分有两种设计:(1)、使用POE供电,这在主要量产型号中使用;(2)、使用DC-DC把12V转为3.3V供板上器件使用,这在最初的原型和部分OEM客户要求下使用。
我们还有一个型号的基站,集成了网络交换机芯片和POE供电受电,可以把多个基站级联起来,串成一串,以节省布线成本。
基站的研发过程,经过几个时期。
第一阶段,带有尝试性质的。
从上面的图中可以看到,设计的时候网络方面除了支持以太网(RJ45接口),还支持WIFI,使用12V供电。WIFI使用的是ESP8266模块。外壳使用大盒子。
第二阶段,小型化。
从上面的图可以出,不再考虑ESP WIFI,DW1000模块通过转接板固定在基站中心,一方面是盒子空间较小,另一方面是尽量把DW1000模块远离PCB和安装面,以减小干扰。
正式作为产品对外销售阶段。
从上面的图可以看出,这阶段的基站使用POE供电。供电部分占了一小半PCB面积,因为我们使用隔离式的设计,使用基站的数字电路与网线供电的隔离,确保基站数字电路的安全。
更进一步,我们集成了一个网络交换机芯片和POE受电供电。
上面几张图是我们当初的宣传照片,PCB的集成度更高。
为了便于拆装,我们对基站又做了一些更改。
从上面一组图可以看出,基站的结构更合理。
在研发过程中,我们还尝试过其他的网络连接方式。
上面的第一图是使用433M射频传输,第二图是使用MTK的WIFI模块传输。但是,因为传输速度的原因,这两款试验都没有成功。
后来,我们计划使用ESP32作为WIFI接口,同时也把ESP32的作为主控MCU,这样可以取消STM32和W5500。一方面可以节省成本,另一方面可以支持WIFI和以太网两种方式。如果更换MCU,基站固件需要全部重写,这个工作量有点大。这项计划刚启动没多久,公司就决定停止这个项目,新基站的研发也就中止了。下图是使用ESP32作为主控的新基站PCB。
我们还设计了防水款的室外基站,从UWB模块上把射频信号使用IPX插座引出到外置天线,并在基站下部设计了一个高亮LED作为基站标识(可通过软件控制开关)。
我们还为室外基站设计了专门的UWB模块,使用SMA接口连接外置天线。