Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Добавление GPS в ваш электронный продукт (и как увеличить его)

Есть идея, которую вы хотели бы представить на рынке? В этой серии Джон Тил рассказывает о процессе масштабирования от прототипа до производства. Следуйте за каждой статьей, чтобы ближе рассмотреть, как включить отдельные компоненты.


Глобальная система позиционирования (GPS) должна быть одной из самых крутых технологий, когда-либо задуманных людьми. Хотя GPS стал обычным явлением из-за смартфонов, это по-прежнему удивительно продвинутая технология. Тем не менее, всего за несколько долларов можно включить GPS в ваш новый электронный продукт.

Введение в GPS

GPS был разработан военными США в конце 70-х годов. Система состоит как минимум из 24 спутников на высокой орбите вокруг Земли. Эти спутники движутся со скоростью почти 9 000 миль в час и на орбите на высоте 12 000 миль. Каждый спутник несет атомные часы с точностью около 1 наносекунды. Спутники распределены таким образом, что они находятся на прямой видимости как минимум до 4 спутников из любой точки земной поверхности. Приемник GPS на земле получает данные о времени и местоположении от этих спутников по радиосигналу 1,575 ГГц.

Приемник GPS может затем определять расстояние до каждого спутника, определяя, сколько времени требуется радиоволнам, которые распространяются со скоростью света, чтобы достичь приемника. Зная точное расстояние и местоположение (закодированное в сигнале) как минимум трех спутников, микропроцессор приемника может трилитировать свое местоположение. Четвертый спутник необходим в качестве избыточной проверки и для обеспечения временных корректировок.

Термин GPS фактически относится только к использованию спутниковой сети, управляемой Соединенными Штатами. Тем не менее, в эксплуатации находятся и другие навигационные системы, такие как российская сеть ГЛОНАСС, китайская сеть BeiDou, европейская сеть, которая скоро станет Галилео, и японская сеть QZSS. Термин Глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) является более общим термином, который относится к любой из вышеуказанных систем.

Реализация

Реализация может быть разделена на три типа решений: полные модули с антенной, чиповые модули без антенны и дискретные чиповые решения. Таблица 1 ниже суммирует преимущества и недостатки каждого типа решения.

Таблица 1 - Сравнение типов решений GPS

Я всегда советую предпринимателям в первую очередь сосредоточиться на минимизации рисков и затрат на развитие, даже если это означает решение, которое не оставляет большой, если вообще имеет, прибыль. Лучше беспокоиться о максимизации прибыли после того, как вы добились реального успеха на рынке.

Все эти решения взаимодействуют с основным микроконтроллером вашего продукта через последовательный интерфейс UART. В большинстве случаев они будут выводить координаты GPS в стандартном формате, известном как NMEA (Национальная ассоциация морской электроники).

Полное модульное решение

Самым простым способом реализации GPS является использование полного модуля, который включает либо встроенную антенну, либо разъем для подключения внешней антенны. См. Таблицу 2 ниже для сравнения четырех популярных полнофункциональных модулей GPS.

Полный модуль GNSS Дискретный чип чувствительность Размер (мм)
uBlox CAM-M8 GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Бейдоу u-blox -167 дБм 14 х 10 х 2
AdaFruit Ultimate GPS GPS, QZSS MT3339 -165 дБм 35 х 26 х 7
Telit SE868-A GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Галилео SiRF Star V -163 дБм 11 х 11 х 6
SparkFun GPS модуль GPS Коперник II -160 дБм 28 х 32 х 4

Таблица 2 - Сравнение полных модулей GPS (упорядоченных от самой высокой чувствительности до самой низкой)

Полноценные модули предлагают самую низкую стоимость разработки, но самую высокую удельную стоимость, поэтому они обычно подходят только для раннего тестирования (или для проектов DYI). Лучшее решение для вывода нового продукта на рынок - это использовать чип-модуль.

Рисунок 1 - Полный модуль Adafruit Ultimate GPS с антенным разъемом

Решения для чип-модулей

Решение с чип-модулем обычно не включает встроенную антенну и обычно требует, по крайней мере, нескольких внешних компонентов. Однако чип-модули гораздо менее рискованны, чем дискретные чип-решения. См. Таблицу 3 для сравнения восьми чиповых модулей, доступных в настоящее время.

Рисунок 3 - Модуль GPS-чипа от Wi2Wi

Существует два типа сертификации FCC: непреднамеренный излучатель и преднамеренный излучатель. Все электронные продукты требуют как минимум неумышленной сертификации радиаторов. Только продукты, которые передают по беспроводной сети, требуют дорогой преднамеренной сертификации радиаторов. Обычно единственный способ обойти преднамеренную сертификацию FCC радиатора для беспроводного продукта (который также передает) - это использование предварительно сертифицированного модуля. Однако, поскольку GPS является технологией, предназначенной только для приема, требуется только непреднамеренная сертификация с меньшими затратами. Это означает, что использование модуля GPS на самом деле ничего не экономит на сертификации FCC.

Чип Модуль GNSS Дискретный чип чувствительность Размер (мм)
серия uBlox M8 GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Бейдоу u-blox -167 дБм 7 х 7 х 1
GlobalTop Tech PA6H GPS, QZSS MT3339 -165 дБм 16 х 16 х 5
SkyTraq Venus838FLPx GPS, QZSS Венера 816 -165 дБм 5 х 5
Wi2Wi W2SG0021i GPS, ГЛОНАСС, QZSS SiRF Star V -162 дБм 7 х 7 х 2
Maestro Wireless A2200-A

GPS SiRF Star IV -160 дБм 14 х 10 х 3
Linx Technologies F4 Series GPS SiRF Star IV -160 дБм 15 х 13 х 2
Антенова М10478-А1 GPS SiRF Star IV -160 дБм 14 х 10 х 2
Trimble Copernicus II GPS N / A -160 дБм 19 х 19 х 3

Таблица 3 - Сравнение чиповых модулей GPS-решений (упорядочено от самой высокой чувствительности до самой низкой

Одной из наиболее важных характеристик для решения GPS является его чувствительность (измеряется в дБм). Это потому, что получаемый сигнал очень слабый. Спутники GPS имеют мощность передачи всего 27 Вт. К тому времени, когда сигнал преодолевает 12 000 миль, чтобы достичь вашего продукта на Земле, его мощность составляет всего около 3 x 10.-16 Вт (-125 дБм)! Чувствительность еще более критична для работы в помещении, где уровень сигнала может составлять только -155 дБм.

Наибольшим риском при разработке решения с использованием модуля чипа GPS является антенна. Это верно для любой беспроводной технологии, но особенно для GPS из-за слабой мощности сигнала.

Это означает, что для антенны очень важно передавать как можно большую часть этой мощности на чип GPS. Для достижения оптимальной передачи мощности необходимо согласовать импеданс антенны, линию передачи, соединяющую антенну, и вывод антенны на модуле чипа GPS. Это полное сопротивление почти всегда 50 Ом.

Полное сопротивление антенны и чип-приемопередатчика GPS уже настроено, поэтому вы должны спроектировать линию передачи так, чтобы она соответствовала их сопротивлению 50 Ом. Я рекомендую использовать бесплатный инструмент под названием AppCAD от Avago Technologes. На печатной плате тип линии передачи, используемой для подключения антенны, обычно представляет собой микрополоску или копланарный волновод (см. Рисунок 4).

Рисунок 4 - Микрополосковая по сравнению с копланарным волноводом (из Avago Technologies AppCAD)

Микрополоска представляет собой тип линии передачи, изготовленной на печатной плате для переноса высокочастотных радиоволн. Это проводящая полоса, отделенная от плоскости земли диэлектрическим слоем. Копланарный волновод подобен за исключением того, что он также окружен земной плоскостью. Сопротивление 50 Ом от линии передачи до земли, и его не следует путать с простым сопротивлением линии.

Помимо использования правильной линии передачи, необходимо также добавить сеть pi (обычно фильтр C-L-C) между антенной и чипом GPS. Это позволяет точно настроить импеданс антенны для оптимального согласования и максимальной передачи мощности.

Дискретное чиповое решение

Как только ваш объем станет достаточно высоким (более 100 тыс.), Вы захотите начать искать способы снижения удельных затрат и увеличения прибыли. Это когда лучше всего перейти на дискретное чиповое решение, которое может значительно снизить стоимость вашего продукта. Дискретное чиповое решение имеет самую высокую стоимость разработки (и риск), но самую низкую стоимость единицы. В идеале вы сможете использовать тот же дискретный чип, который использовался в вашем начальном модуле.

Дискретный чип GNSS чувствительность
CSR SiRF Star IV GPS -160 дБм
CSR SiRF Star V GPS, ГЛОНАСС, QZSS -162 дБм
MediaTek MT3339 GPS, QZSS -165 дБм
SkyTraq Venus 816 GPS, QZSS -165 дБм

Таблица 4 - Сравнение дискретных чипов GPS

Заключение

В большинстве случаев лучше всего начать с полностью модульного решения GPS для первоначального тестирования. Затем перейдите на чип-модуль, чтобы использовать его для тестирования рынка с небольшим объемом. Как только вы достигнете больших объемов производства, вы сможете разработать дискретное чиповое решение для снижения стоимости вашего продукта. Не забывайте всегда начинать с решения с минимальным риском. Этот совет верен в целом, когда речь идет о разработке продукта при ограниченном бюджете.

Поделиться

Оставить комментарий