TOF測距功能的原理及使用方法

2020-12-05 成都億佰特

E28系列產品是成都億佰特公司設計生產的2.4GHz射頻收發模塊，通信距離遠；具有極低的低功耗模式流耗。此系列產品自帶高性能PCB板載天線。

E28系列產品採用Semtech公司的SX1280射頻晶片，此晶片包含多樣的物理層以及多種調製方式，如LORA,FLRC,GFSK。特殊的調製和處理方式使得LORA和FLRC調製的傳輸距離大大增加；是一款高性能物聯網無線收發器，並可以兼容藍牙協議。出色的低功耗性能、片上DC-DC和Time-of-flight使得此晶片功功能強大，可用於智能家居、安全系統、定位追蹤、無線測距、穿戴設備、智能手環與健康管理等等。SX1280支持RSSI，用戶可以根據需要實現深度的二次開發；SX1280亦集成飛行時間(time-of-flight)，適用於測距功能。

SX1280

TOF（time-of-flight）測距方法：

該方法屬於雙向測距技術，利用數據信號在一對收發機之間往返的飛行時間來測量兩點間的距離。將發射端發出數據信號和接收到接收端應答信號的時間間隔記為Tt,接收端收到發射端的數據信號和發出應答信號的時間間隔記為Tr，如下圖所示。信號在這對收發機之間的單向飛行時間Tf=(Tt-Tr)/2，則兩點間的距離d=c*Tf,其中c表示電磁波傳播速度。

圖1 time-of-flight測距方法

測距功能詳解：

SX1280的測距功能是基於測量一對SX1280收發機之間的往返飛行時間。這一過程使用了LoRa調製方案，使測距受益於LoRa所賦予的遠距離和低功耗運行的所有優點。基本的測距操作如下圖所示：

圖2 SX1280測距原理

1. 一個SX1280承擔主機角色，發送一個測距請求，啟動一次測距。測距請求發送到另一個SX1280（必須配置為從機模式），從機隨時接收傳入的測距請求。在主機發送測距請求時，它自身還啟動一個內部計時器，用作測距計時。

2. 從機接收到測距請求，它將同步處理傳入的測距請求。從機不需要知道測距請求是在什麼時候發送的，但是主機需要知道從機同步過程中處理的時間（在下面從機發送的測距響應中帶有處理時間，在最後的距離計算中需要去除這一段處理時間）。主從機並不共享同一個計時器，而是分開獨立計時的。

3. 最後，從機將經同步處理後的測距響應發送回主機，主機接收到測距響應後，從所經過的時間，即電磁波從主機傳播到從機再傳播回來所花費的時間，及同步處理時間，推斷出飛行的往返時間，從而推斷出距離。

SX1280測距過程中可能會造成測量誤差的操作：

1. 正如我們在上面中所看到的，測距過程主機生成一個內部計時器，用於對測距信號往返的飛行時間(TOF)進行計時。當從機對測距請求進行同步處理時，會產生已知的延遲（處理時間）。如果從機的時鐘頻率與主時鐘的頻率不同，那麼計算時數據就會不準確，也就是會造成距離偏移。這種誤差的來源稱為頻率誤差

2. 當測距信號通過數字和模擬信號處理和調製後傳輸時，通過無線電的發射和接收會產生一定的延遲(或距離)誤差。通常，這種延遲可以被認為是必然的，這意味著在計算時需要對這種延遲給與一定的補償。

3. 另一個類似的測量誤差來源是天線延遲，天線發射的信號(或接收到的信號)會有一定的延遲。此外，這種延遲可能不是均勻的，因為在一個輻射方向所產生的延遲可能會不同於另一個輻射方向

4. 多路徑是指發射信號從發射機到接收機經過多次反射和衍射的現象。當發射機和接收機之間存在障礙物時，這種影響會變得嚴重。

各種誤差源的劃分，我們可以得出分為以下兩種誤差源：

1. 由各種特定延遲引起的固定偏差，我們需要給予特定補償

2. 由一個未知的變量引起的偏差，主機和從機都要根據實際情況進行糾正

E28模塊的測距定位應用：

E28模塊測距定位無需涉及到GPS定位技術，可以實現最小尺寸、最低功耗、最低成本。可以被應用到各個行業和領域，如倉庫物流、畜牧業、建築行業等。

1. 畜牧業：

目前畜牧業中，牛羊主要靠人工看管，人工投入成本大；牛羊無定位，每年存在不同程度的牛羊走失；部分用GPS+GPRS定位方案費用高、續航時間短。

將E28模塊測距定位功能應用到畜牧業上，組成一個牛羊定位系統。該牛羊定位系統主要由E28定位模塊、E28網關、牲畜管理平臺組成。E28定位模塊主要用於牛羊的佩戴，一一對應。幾個E28網關便可以滿足大型牧場的需求。E28定位模塊定時向幾個E28網關傳輸數據包，而E28網關向牲畜管理平臺傳輸這些數據。牲畜管理平臺通過算法處理分析這些數據，可以查看牛羊的具體位置、健康狀態等。當牛羊生病時，工作人員可以及時趕到牛羊的位置進行處理、治療等。

此定位方案成本低，功耗低（可電池供電），是非常理想的畜牧業動物定位方案。

2. 倉庫管理：

現代倉庫已成為企業的物流中心，其作用不僅是保管，更多是物資流轉，因此如何運行現代技術，如信息技術、自動化技術來提高倉儲運作的速度和效益是目前人們關注的一個焦點。

在倉儲作業中，叉車是貨物搬運作業的主要工具，在作業時需要快速定位貨物位置，快速回傳作業信息。而叉車又可以與貨倉組成智能倉儲定位系統，實現叉車路徑導航功能和叉車實時定位系統（貨物定位）。

使用E28模塊可以滿足倉儲系統定位需求，組成實時定位系統，低成本，低功耗。

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