Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Adăugarea GPS la produsul dvs. electronic (și cum să scalați)

Aveți o idee pe care doriți să o aduceți pe piață? În această serie, John Teel trece prin procesul de extindere de la prototip la producție. Urmați fiecare tranșă pentru o privire mai atentă asupra modului de integrare a componentelor individuale.


Sistemul global de poziționare (GPS) trebuie să fie una dintre cele mai tari tehnologii concepute vreodată de oameni. Deși GPS-ul a devenit obișnuit din cauza smartphone-urilor, acesta este încă o tehnologie uimitor de avansată. Cu toate acestea, pentru doar câțiva dolari este posibil să încorporați GPS-ul în noul dvs. produs electronic.

Introducere în GPS

GPS-ul a fost dezvoltat de armata americană la sfârșitul anilor '70. Sistemul constă dintr-un minim de 24 de sateliți în orbită înaltă în jurul Pământului. Acești sateliți călătoresc la aproape 9000 de mile pe oră și orbită la o altitudine de 12.000 de mile. Fiecare satelit poartă un ceas atomic cu o precizie de aproximativ 1 nanosecundă. Sateliții sunt distribuiți astfel încât să existe o linie de vedere la cel puțin 4 sateliți de oriunde de pe suprafața Pământului. Receptorul GPS de la sol recepționează datele de sincronizare și localizare de la acești sateliți pe un semnal purtător de radio de 1.575 GHz.

Receptorul GPS poate apoi determina distanța față de fiecare satelit prin stabilirea timpului necesar pentru ca undele radio, care se deplasează la viteza luminii, să ajungă la receptor. Cunoscând distanța exactă și locația (codificată în semnal) de cel puțin trei sateliți, microprocesorul receptorului poate trilama locația sa. Al patrulea satelit este necesar ca o verificare redundantă și pentru a oferi corecții de sincronizare.

Termenul GPS se referă de fapt doar la utilizarea rețelei de satelit operate de Statele Unite. Cu toate acestea, există și alte sisteme de navigație aflate în exploatare, cum ar fi rețeaua GLONASS din Rusia, rețeaua BeiDou din China, rețeaua Galileo din Europa și rețeaua japoneză QZSS. Termenul Sistem global de navigație prin satelit (GNSS) este termenul generic care se referă la oricare dintre sistemele de mai sus.

Punerea în aplicare

Implementarea poate fi împărțită în trei tipuri de soluții: module complete cu o antenă, module cip fără antenă și soluții separate de cipuri. Tabelul 1 de mai jos rezumă avantajele și dezavantajele fiecărui tip de soluție.

Tabelul 1 - Compararea tipurilor de soluții GPS

Întotdeauna sfătuiesc antreprenorii să se concentreze mai întâi pe minimizarea riscurilor și costurilor de dezvoltare, chiar dacă aceasta înseamnă o soluție care nu lasă mult, dacă este cazul, profit. Este mai bine să vă faceți griji cu privire la maximizarea profitului după ce ați avut un real succes pe piață.

Toate aceste soluții interfață cu microcontrolerul primar al produsului dvs. printr-o interfață serial UART. În majoritatea cazurilor, vor emite coordonate GPS într-un format standard cunoscut sub denumirea de NMEA (National Marine Electronics Association).

Modulul complet de soluții

Cea mai simplă modalitate de a implementa GPS-ul este utilizarea unui modul complet care include fie o antenă încorporată, fie un conector pentru o antenă externă. Consultați Tabelul 2 de mai jos pentru a compara cele patru module populare GPS complete disponibile.

Modulul complet GNSS Discretă Chip Sensibilitate Dimensiune (mm)
uBlox CAM-M8 GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou Ublox -167 dBm 14 x 10 x 2
AdaFruit Ultimate GPS 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 Copernicul II -160 dBm 28 x 32 x 4

Tabelul 2 - Compararea completă a modulelor GPS (ordonată de la cea mai înaltă sensibilitate la cea mai mică)

Modulele complete oferă cel mai mic cost de dezvoltare, dar cel mai mare cost unitar, astfel încât acestea sunt, de obicei, potrivite doar pentru testarea timpurie (sau pentru proiectele DYI). Cea mai bună soluție pentru aducerea unui nou produs pe piață este utilizarea unui modul de cip.

Figura 1 - modul complet Adafruit Ultimate GPS cu conector de antenă

Soluții pentru modulele Chip

O soluție de modul cip tipic nu include o antenă încorporată și de obicei necesită cel puțin câteva componente externe. Cu toate acestea, modulele de cipuri sunt mult mai puțin riscante decât o soluție cipată discretă. Vezi tabelul 3 pentru o comparație a opt module de cip disponibile în prezent.

Figura 3 - modul de cip GPS de la Wi2Wi

Există două tipuri de certificare FCC: radiator fără intenție și radiator intenționat. Toate produsele electronice necesită cel puțin certificarea non-intenționată a radiatorului. Numai produsele care transmit fără fir necesită certificarea intenționată a radiatorului intenționat. În mod normal, singura modalitate de a ocoli certificarea intenționată a radiatorului FCC pentru un produs wireless (care transmite de asemenea) este prin utilizarea unui modul pre-certificat. Cu toate acestea, deoarece GPS-ul este o tehnologie destinată exclusiv recepției, este necesară numai certificarea non-intenționată cu costuri mai mici. Acest lucru înseamnă că folosirea unui modul GPS nu vă salvează nimic de certificarea FCC.

Modulul Chip GNSS Discretă Chip Sensibilitate Dimensiune (mm)
Seria 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 Star IV -160 dBm 14 x 10 x 3
Linx Technologies F4 Series GPS SiRF Star IV -160 dBm 15 x 13 x 2
Antenova M10478-A1 GPS SiRF Star IV -160 dBm 14 x 10 x 2
Trimble Copernicu II GPS N / A -160 dBm 19 x 19 x 3

Tabelul 3 - Compararea soluțiilor GPS pentru modulele de cip (comandate de la cea mai înaltă sensibilitate la cea mai mică

Una dintre cele mai importante specificații pentru o soluție GPS este sensibilitatea (măsurată în dBm). Acest lucru se datorează faptului că semnalul primit este atât de slab. Sateliții GPS au o putere de transmisie de numai 27 W. În momentul în care semnalul călătorește 12.000 de mile pentru a ajunge la produsul dvs. pe Pământ, puterea este de numai aproximativ 3 x 10-16 W (-125dBm)! Sensibilitatea este și mai critică pentru funcționarea în interior, unde intensitatea semnalului poate fi de numai -155 dBm.

Cel mai mare risc cu proiectarea unei soluții folosind un modul de cip GPS este antena. Acest lucru este valabil pentru orice tehnologie fără fir, dar este în special adevărat cu GPS din cauza puterii semnalului slab.

Aceasta înseamnă că este esențial ca antena să transfere cât mai mult din această putere la cipul GPS. Pentru a obține un transfer de putere optim, trebuie să se potrivească impedanța antenei, linia de transmisie care leagă antena și pinul antenei de pe modulul de cip GPS. Această impedanță este aproape întotdeauna de 50 ohmi.

Impedanța antenei și a transmițătorului de cip GPS sunt deja setate, deci trebuie să proiectați linia de transmisie pentru a se potrivi impedanței lor de 50 ohmi. Vă recomandăm să utilizați un instrument gratuit numit AppCAD de la Avago Technologes. Pe un PCB, tipul de linie de transmisie utilizat pentru conectarea unei antene este, de obicei, fie un microstrip, fie un ghid de undă coplanar (a se vedea figura 4).

Figura 4 - Ghid de undă Coplanar Microstrip versus Coplanar (de la Avago Technologies AppCAD)

Microstripul este un tip de linie de transmisie fabricată pe un PCB pentru transportarea undelor radio de înaltă frecvență. Este o bandă conductoare separată de un plan de masă printr-un strat dielectric. Un ghid de undă coplanar este similar, cu excepția faptului că este, de asemenea, înconjurat de un plan de masă. Impedanța de 50 ohmi este de la linia de transmisie la sol și nu trebuie confundată cu simpla rezistență a liniei.

Pe lângă utilizarea unei linii de transmisie corespunzătoare, este necesar să adăugați o rețea pi (de obicei un filtru C-L-C) între antena și cipul GPS. Aceasta permite reglarea fină a impedanței antenei pentru o potrivire optimă și un transfer maxim de putere.

Soluție discretă de ștergere

Odată ce volumul dvs. este suficient de mare (100k +), veți dori să începeți să găsiți modalități de a vă reduce costurile unitare și de a crește marjele de profit. Atunci când este cel mai bine să migrați la o soluție discretă de cip, care poate reduce semnificativ costul produsului dvs. O soluție de cip discret are cel mai mare cost de dezvoltare (și risc), dar cel mai mic cost unitar. În mod ideal, veți putea utiliza același cip discret care a fost folosit pe modulul inițial.

Discretă Chip GNSS Sensibilitate
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

Tabelul 4 - Compararea cipurilor discrete GPS

Concluzie

În cele mai multe cazuri, este mai bine să porniți cu o soluție completă de module GPS pentru testarea inițială. Apoi faceți upgrade la un modul de cip care să fie utilizat în scopuri de testare a pieței cu volum redus. Odată ce ați atins volumele ridicate de producție, puteți dezvolta o soluție discretă de cip pentru a reduce costul produsului dvs. Amintiți-vă întotdeauna să începeți cu cea mai mică soluție de risc. Acest sfat este valabil în general când vine vorba de dezvoltarea produsului pe un buget limitat.

Acțiune

Lasa Un Comentariu