Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Menambah GPS ke Produk Elektronik Anda (dan Bagaimana Skala Sehingga)

Mempunyai idea yang anda ingin dibawa ke pasaran? Dalam siri ini, John Teel berjalan melalui proses peningkatan dari prototaip kepada pengeluaran. Ikuti setiap ansuran untuk melihat dengan lebih dekat cara menggabungkan komponen individu.


Sistem Penentududukan Global (GPS) harus menjadi salah satu teknologi paling keren yang pernah dibayangkan oleh manusia. Walaupun GPS telah menjadi biasa kerana telefon pintar ia masih merupakan teknologi yang sangat canggih. Walau bagaimanapun, hanya beberapa dolar mungkin untuk memasukkan GPS ke dalam produk elektronik baru anda.

Pengenalan kepada GPS

GPS telah dibangunkan oleh tentera AS pada lewat 70-an. Sistem ini terdiri daripada sekurang-kurangnya 24 satelit di orbit tinggi di sekitar Bumi. Satelit ini bergerak hampir 9,000 batu sejam dan mengorbit pada ketinggian 12,000 batu. Setiap satelit membawa jam atom dengan ketepatan kira-kira 1 nanodetik. Satelit-satelit ini diedarkan supaya terdapat garis penglihatan kepada sekurang-kurangnya 4 satelit dari mana-mana permukaan Bumi.Penerima GPS di lapangan menerima data masa dan lokasi dari satelit ini pada isyarat pembawa radio 1.575 GHz.

Penerima GPS dapat menentukan jarak ke setiap satelit dengan menentukan masa yang diperlukan untuk gelombang radio, yang bergerak pada kelajuan cahaya, untuk tiba di penerima. Dengan mengenal pasti jarak dan lokasi yang tepat (dikodkan dalam isyarat) sekurang-kurangnya tiga satelit mikropemproses penerima dapat melupuskan lokasinya. Satelit keempat diperlukan sebagai pemeriksaan berlebihan dan menyediakan pembetulan masa.

Istilah GPS sebenarnya merujuk hanya kepada penggunaan rangkaian satelit yang dikendalikan oleh Amerika Syarikat. Walau bagaimanapun, terdapat sistem navigasi lain yang beroperasi seperti rangkaian GLONASS Rusia, rangkaian BeiDou China, rangkaian Eropah tidak lama lagi menjadi rangkaian Galileo, dan rangkaian QZSS Jepun. Istilah Global Satellite Satellite System (GNSS) adalah istilah yang lebih umum yang merujuk kepada mana-mana sistem di atas.

Pelaksanaan

Pelaksanaan boleh dibahagikan kepada tiga jenis penyelesaian: modul penuh dengan antena, modul cip tanpa antena, dan penyelesaian cip diskret. Jadual 1 di bawah meringkaskan kelebihan dan kekurangan setiap jenis penyelesaian.

Jadual 1 - Perbandingan jenis penyelesaian GPS

Saya sentiasa memberi nasihat kepada usahawan untuk memberi tumpuan terlebih dahulu untuk meminimumkan risiko dan kos pembangunan mereka walaupun itu bermakna penyelesaian yang tidak banyak memberi keuntungan, jika ada, keuntungan. Adalah lebih baik untuk bimbang tentang memaksimumkan keuntungan selepas anda mempunyai kejayaan pasaran sebenar.

Semua antara muka penyelesaian ini dengan mikrokontroler utama produk anda melalui antara muka UART bersiri. Dalam kebanyakan kes, mereka akan mengeluarkan koordinat GPS dalam format standard yang dikenali sebagai NMEA (National Marine Electronics Association).

Penyelesaian Modul Penuh

Cara paling mudah untuk melaksanakan GPS adalah dengan menggunakan modul penuh yang merangkumi sama ada antena terbina dalam, atau penyambung untuk antena luaran. Lihat Jadual 2 di bawah untuk perbandingan empat modul GPS penuh yang popular.

Modul Penuh GNSS Diskret Cip Kepekaan Saiz (mm)
uBlox CAM-M8 GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou uBlox -167 dBm 14 x 10 x 2
GPS Ultimate AdaFruit GPS, QZSS MT3339 -165 dBm 35 x 26 x 7
Telit SE868-A GPS, GLONASS, QZSS, Galileo SiRF Star V -163 dBm 11 x 11 x 6
Modul GPS SparkFun GPS Copernicus II -160 dBm 28 x 32 x 4

Jadual 2 - Perbandingan modul GPS penuh (diarahkan dari kepekaan tertinggi ke terendah)

Modul penuh menawarkan kos pembangunan terendah tetapi kos unit tertinggi sehingga biasanya hanya sesuai untuk ujian awal (atau untuk projek DYI). Penyelesaian terbaik untuk membawa produk baru ke pasaran adalah menggunakan modul cip.

Rajah 1 - Modul lengkap Adafruit Ultimate GPS dengan penyambung antena

Penyelesaian Modul Chip

Penyelesaian modul cip biasanya tidak termasuk antena terbina dalam dan biasanya memerlukan sekurang-kurangnya beberapa komponen luaran. Walau bagaimanapun, modul cip kurang berisiko daripada penyelesaian cip diskret. Lihat Jadual 3 untuk perbandingan lapan modul cip yang kini tersedia.

Rajah 3 - Modul cip GPS dari Wi2Wi

Terdapat dua jenis pensijilan FCC: radiator yang tidak disengajakan, dan radiator yang disengajakan. Semua produk elektronik memerlukan sekurang-kurangnya sijil radiator yang tidak disengajakan. Hanya produk yang menghantar tanpa wayar memerlukan perakuan radiator yang sengaja mahal. Biasanya satu-satunya cara untuk memintas pensijilan FCC radiator yang disengajakan untuk produk tanpa wayar (yang juga menghantar) adalah dengan menggunakan modul pra-disahkan. Bagaimanapun, kerana GPS adalah teknologi terima sahaja, hanya memerlukan pensijilan kos yang tidak disengajakan yang lebih rendah. Ini bermakna bahawa menggunakan modul GPS tidak benar-benar menjimatkan apa-apa pada pensijilan FCC.

Modul Chip GNSS Diskret Cip Kepekaan Saiz (mm)
siri uBlox M8 GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou uBlox -167 dBm 7 x 7 x 1
GlobalTop Tech PA6H GPS, QZSS MT3339 -165 dBm 16 x 16 x 5
SkyTraq Venus838FLPx GPS, QZSS Venus 816 -165 dBm 5 x 5
Wi2Wi W2SG0021i GPS, GLONASS, QZSS SiRF Star V -162 dBm 7 x 7 x 2
Maestro Wireless A2200-A

GPS SiRF Bintang IV -160 dBm 14 x 10 x 3
Linx Technologies F4 Series GPS SiRF Bintang IV -160 dBm 15 x 13 x 2
Antenova M10478-A1 GPS SiRF Bintang IV -160 dBm 14 x 10 x 2
Trimble Copernicus II GPS N / A -160 dBm 19 x 19 x 3

Jadual 3 - Perbandingan penyelesaian modul cip GPS (diarahkan dari kepekaan tertinggi ke terendah

Salah satu spesifikasi yang paling penting untuk penyelesaian GPS adalah kepekaannya (diukur dalam dBm). Ini kerana isyarat yang diterima sangat lemah. Satelit GPS mempunyai kuasa transmisi hanya 27W. Pada masa isyarat perjalanan 12,000 batu untuk mencapai produk anda di Bumi kuasa itu hanya kira-kira 3 x 10-16 W (-125dBm)! Kepekaan adalah lebih kritikal untuk operasi dalaman di mana kekuatan isyarat hanya boleh -155 dBm.

Risiko terbesar dengan merancang penyelesaian menggunakan modul cip GPS ialah antena. Ini benar dengan mana-mana teknologi tanpa wayar tetapi ia benar-benar benar dengan GPS kerana kuasa isyarat lemah.

Ini bermakna ia amat penting bagi antena untuk memindahkan sebanyak mungkin kuasa ini ke cip GPS. Untuk mencapai pemindahan kuasa optimum, anda mesti sepadan dengan impedans antena, talian penghantaran yang menghubungkan antena, dan pin antena pada modul cip GPS. Galangan ini hampir selalu 50 ohm.

Impedance antena dan transceiver cip GPS telah ditetapkan supaya anda perlu merancang saluran penghantaran untuk memadankan impedans 50 ohm mereka. Saya cadangkan menggunakan alat percuma yang dipanggil AppCAD dari Avago Technologes. Pada PCB jenis talian penghantaran yang digunakan untuk menyambungkan antena biasanya sama ada mikrostrip atau pandu gelombang coplanar (lihat Rajah 4).

Rajah 4 - Microstrip versus Coplanar waveguide (dari Avago Technologies AppCAD)

Microstrip adalah sejenis talian penghantaran yang dibuat pada PCB kerana membawa gelombang radio frekuensi tinggi. Ia adalah jalur yang mengasingkan dari satah tanah dengan lapisan dielektrik. Pandu gelombang coplanar adalah serupa kecuali ia juga dikelilingi oleh satah tanah. Impedans 50 ohm adalah dari talian penghantaran ke tanah, dan tidak boleh dikelirukan dengan rintangan mudah garisan.

Di samping menggunakan talian penghantaran yang betul, ia juga perlu menambah rangkaian pi (biasanya penapis C-L-C) antara antena dan cip GPS. Ini membolehkan penalaan halus impedans antena untuk pemadanan optimum dan pemindahan kuasa maksimum.

Penyelesaian Cip Diskret

Setelah volume anda cukup tinggi (100k +), anda akan ingin mencari cara untuk menurunkan kos unit anda dan meningkatkan margin keuntungan anda. Inilah yang terbaik untuk berhijrah ke penyelesaian cip diskret yang dapat mengurangkan kos produk anda dengan ketara. Penyelesaian cip diskrit mempunyai kos pembangunan tertinggi (dan risiko) tetapi kos unit terendah. Idealnya anda boleh menggunakan cip diskret yang sama yang digunakan pada modul awal anda.

Diskret Cip GNSS Kepekaan
CSR SiRF Star IV GPS -160 dBm
CSR SiRF Star V GPS, GLONASS, QZSS -162 dBm
MediaTek MT3339 GPS, QZSS -165 dBm
SkyTraq Venus 816 GPS, QZSS -165 dBm

Jadual 4 - Perbandingan cip GPS diskret

Kesimpulannya

Dalam kebanyakan kes, sebaiknya bermula dengan penyelesaian modul GPS penuh untuk ujian awal. Kemudian naik taraf kepada modul cip untuk digunakan untuk tujuan ujian volum pasaran yang rendah. Sebaik sahaja anda telah mencapai volum pembuatan tinggi maka anda boleh membangunkan penyelesaian cip diskret untuk mengurangkan kos produk anda. Ingat untuk selalu bermula dengan penyelesaian risiko terendah. Nasihat ini adalah benar pada umumnya apabila ia berkaitan dengan pembangunan produk pada anggaran yang terhad.

Kongsi

Meninggalkan Komen