CC BY
61Новое семейство GPS-модулей Antaris 4
производства компании uBlox
На страницах нашего журнала мы уже рассказывали о GPS-модулях семейства Antaris производства компании uBlox [1]. Настоящая статья представляет собой обзор нового семейства GPS-модулей Antaris 4, с появлением которого разработчики получили не только широкие возможности Роман АЛЕКСАНДРОВ выбора прибора для конкретных приложений, но и улучшенные характе-
[email protected] ристики и уменьшенные массогабаритные параметры модулей.
Сегодня наличие функции определения местоположения на базе технологии GPS стало неотъемлемым атрибутом многих категорий приборов. Кроме того, развиваются приложения, связанные с удаленным контролем местонахождения объекта мониторинга. В последнем случае наиболее часто используется связка модулей GSM и GPS, в которой по каналу GSM помимо традиционной телеметрической информации передаются данные о местоположении объекта. Такие системы просто незаменимы в логистике, поскольку позволяют гибко управлять транспортными потоками. В целом же они имеют широкие перспективы развития, и их архитектура и возможности постоянно совершенствуются. Все это привело к необходимости упрощения процессов проектирования устройств на базе GPS-модулей и их эксплуатации. Сказанное тесно связано с временем выпуска нового изделия на рынок, и здесь наблюдается положительная динамика, которая позволит разработчикам при использовании модулей компании uBlox иметь некоторое конкурентное преимущество.
В связи с перечисленными тенденциями все больше производителей и интеграторов обращают свои взоры на технологию GPS, серьезной альтернативы которой, к сожалению, пока в России нет. Поэтому все больше инженеров занимается разработкой устройств на базе GPS. Несмотря на простоту проектирования и использования GPS-модулей, разработчику необходимо иметь базовые представления о сути технологии GPS, типовых архитектурах GPS-приемников, что позволит исключить ошибки на стадии проектирования и избежать многих вопросов и проблем, возникающих на этапе ввода изделия в эксплуатацию. С базовыми понятиями технологии глобального позиционирования GPS можно ознакомиться в статье [2], а исчерпывающие руководства, которые необходимо
изучить каждому разработчику устройств на базе GPS — «Основы GPS» и «Руководство разработчика GPS» — в переводе на русский язык можно найти в Интернете [3].
Итак, рассмотрим линейку Antaris 4 и расскажем об отличиях новых устройств от продуктов семейства Antaris.
Новое семейство представлено как GPS-чипсетами, так и GPS-модулями, имеется и отладочная плата. В зависимости от приложения и требований к чувствительности можно выбрать наиболее подходящий вариант (табл. 1).
Чипсет Antaris 4 разрабатывался совместно известным производителем микросхем — компанией Atmel. Такое сотрудничество, а также солидный опыт uBlox в разработке и производстве компонентов для GPS позволили добиться уникального сочетания параметров приборов одновременно с таким уровнем миниатюризации, которого пока не добился еще никто. Приведем общие характеристики устройств семейства Antaris 4:
• количество каналов — 16;
• «горячий» старт — 3,5 с;
• «холодный» старт — 34 с;
• частота обновления данных — 4 Гц;
• рабочая температура — от -40 до +80 °С;
• снижение энергопотребления на 40%;
• встроенный интерфейс USB;
• перепрограммируемые параметры;
• доступны в двух типах корпусов.
Рассмотрим модули более подробно.
В табл. 2 приведены основные характеристики всех модулей рассматриваемого семейства. Необходимо отметить, что все типы модулей имеют встроенные средства энергосбережения, что вкупе с весьма малыми габаритными размерами позволяет использовать приборы в автономной аппаратуре с батарейным питанием. Кроме того, у всех модулей имеется контроллер антенны, который обеспечивает защиту при отсутствии подключения к антенне и при коротком замыкании. Это существенным образом повышает общую надежность системы. Все модули могут работать в расширенном диапазоне температур (-40... +85 °С), представлены моделями как с непрограммируемой памятью ROM, так и с программируемой памятью Flash и SRAM. Модули выпускаются в SMD-корпусах, монтаж которых может осуществляться полностью в автоматическом режиме. Инженеры компании uBlox постоянно работают над увеличением экономичности и снижением массы и габаритов модулей. Однако, несмотря на появление модулей в более миниатюрных корпусах, приборы бу-
Таблица 1. Семейство GPS-модулей Antaris 4
Области применения Автомобильные приложения Мобильные терминалы с GPS Инфраструктура
Форм-фактор Архитектура Стандартные Суперчувст- вительные Навига- ционные Суперчувст- вительные Прецизионные
GPS модули ROM LEA-4A LEA-4S LEA-4S
17x22 мм Программируемый LEA-4P LEA-4H LEA-4T LEA-4H
GPS модули 25,4x25,4 мм ROM TIM-4A TIM-4S
Программируемый TIM-4P TIM-4H TIM-LR
GPS платы 41 x71 мм Программируемый RCB-4H SBR-LS
*Модули SBR-LS и TIM-LR выполнены на ядре ANTARIS
Таблица 2. Параметры GPS-модулей семейства Antaris 4
LEA-4A LEA-4P LEA-4S LEA-4H LEA-4T TIM-4A TIM-4P TIM-4S TIM-4H
GPS-ядро ANTARIS 4
Пассивная антенна • • • • • • • • •
Aктивная антенна • • • • • • • • •
Энергонезависимая память Flash Flash Flash Flash Flash
Интерфейс USB • • • • •
Число интерфейсов UART 2 1 1 1 2 2 2 2
Число линий ввода/вывода общего назначения а а 9 9
Конфигурационные выводы 4 5 5
SPI • •
TIMEPULSE • • • • • • • • •
Диапазоны напряжений I/O+UART 1,65-3,6 В 3,0 В
TCXO • • • • •
SuperSense Indoor GPS • • • • •
Прецизионный •
Напряжение питания 2,7-3,3 В
Потребляемый ток (при напряжении з В) 34 мA 35 мA 37 мA 38 мA 38 мA 34 мA 35 мA 37 мA 38 мA
~14І GND T31GND І2ІBOOTJNT TilV BAT Тої RESET_N ~9~l GPSMODE6
~~8~lVDD18QUT ~7~|GND ~6~lVCC ~~5~l VDDIO ~~4~l RxD1 ~~3~lTxD1 ~T1 RxD2 ~TlT»D2
Рис. 1. Блок-схема GPS-модуля LEA-4A
GND|~15~ RFJN |JF -GND[~17~ VCC RF[~18~
V АЩГПГ-AADET_N [ЙГ
Low Noise Amplifier
GPSMODE5 ITT GPSMODE2 [2Г GPSMODE71~23~ VDDUSBf24" USB_DM l~25~ USB DPf26~ EXTINTO ITT TIMEPULSE [~28~
X
А / ХТО
4ZZF
I/O
ANT_SHORT_N RF ON
Timer
Counter
Correlator 16 channels
Baseband Processor
ARM7TDMI
CPU
ROM 384 kB [32 Bit]
SRAM 128 kB [32 Bit]
VCC
LDO
VBAT
LDO
23,104 MHz
^ 170 ^ I Controller I
UART, I/O
дут производиться и поставляться во всех типах корпусов еще долгое время.
GPS-модуль 1.ЕА-4А
Это недорогой модуль размерами всего 17x22,4x3 мм, предназначенный для использования в автомобильных приложениях и работающий при температурах от -40 до +85 °С. Его блок-схема приведена на рис. 1, а основные параметры приемника — в таблице 3. Это высокоэффективное и экономичное решение с низкой потребляемой мощностью. Другим полезным нововведением является наличие встроенного интерфейса ШВ 1.1 (совместимого сШВ 2.0), что позволяет не только увеличить скорость обмена данными с модулем, но и добиться большей гибкости и упростить аппаратное обеспечение конечного устройства. Модуль идеально подходит для эксплуатации в городских условиях. Среди основных отличительных особенностей модуля можно отметить отсутствие БЫИ-памяти (для снижения его стоимости), высокую экономичность (потребляемый ток всего 34 мА при напряжении питания 2,7 В; имеется несколько
энергосберегающих режимов), поддержку А-ОР8 и автономной работы ОРв, наличие функции А88І8І^'^ Кроме того, отметим, что скорость обновления местоположения составляет 4 Гц, а также то, что модуль имеет один интерфейс ШВ и два ИАИТ (уровни напряжения могут программироваться). К ЬБА-4А может быть подключена как пассивная, так и активная антенна. Модуль предназначен для поверхностного монтажа и может устанавливаться на плату полностью в автоматическом режиме, безвывод-ной вариант модуля совместим с директивами ИоШ по бессвинцовой пайке.
ЄРБ-модуль І.ЕА-4Р
Этот ОР8-модуль во многом схож с предыдущим — ЬБА-4А, основным отличием от которого является наличие ИазЬ-памяти
(минимальный объем 512 кбайт). Среди других отличий можно назвать наличие только одного интерфейса ИЛИТ, а также скорость обновления навигационных данных 1 Гц. Потребляемый этим модулем ток составляет уже 35 мА.
GPS-модуль LEA-4S
Отличительной особенностью этого модуля является высокая чувствительность, а также чрезвычайно низкое энергопотребление. Он предназначен для использования в автомобильных приложениях, а также в различных мобильных терминалах и устройствах. Как и в предыдущих приборах, здесь имеется встроенный интерфейс ШВ. Размеры модуля — всего 17x22 мм. Чувствительность приемника достигает -158 дБм, что позволяет использовать этот модуль с закрытой ан-
тенной и в сложных условиях, где уровень сигнала от спутников чрезвычайно мал. Скорость обновления навигационной информации — 4 Гц. Стоимость модуля невысока, что в основном связано с отказом от использования в нем памяти Flash, которая заменена на ROM. Остальные параметры приемника приведены в таблице 4.
GPS-модули LEA-4x
Как и прибор LEA-4S, модуль LEA-4H отличается чрезвычайно высокой чувствительностью, малым потребляемым током и небольшими размерами (17x22 мм). В отличие от рассмотренного выше устройства, он имеет производительность 1 Гц. Структурная схема модуля приведена на рис. 2. Аналогичный GPS-модуль LEA-4T представляет собой программируемый модуль, обеспечивающий
Таблица 3. Характеристики модуля LEA-4A
Тип приемника 16 каналов, L1 freq., код C/A
Максимальная частота обновления 4 Гц
Точность Местоположение 2,0 м CEP
ООРБ/БВАБ 2,0 м CEP
«Горячий» старт <3,5 с
Время старта «Теплый» старт 33 с
«Холодный» старт 34 с
Повторный захват <1 с
Чувствительность Обнаружение -140 дБм
Сопровождение -150 дБм
Временная точность Среднеквадратическая 50 нс
99% <100 нс
Ограничения работы Высота над уровнем моря 18 000 м
Скорость перемещения 515 м/с
точный GPS-тайминг, обладающий высокой чувствительностью и экономичностью. Этот модуль также имеет встроенный интерфейс USB. Ключевые параметры приемной части этого прибора приведены в таблице 4.
Модуль TIM-4A
Прибор имеет малое энергопотребление. Его габаритные размеры составляют 25,4x25,4x3 мм. Этот модуль снабжен двумя интерфейсами UART, и в отличие от рассмотренных выше, не имеет встроенного USB-интерфейса. Он обладает хорошей производительностью при малом энергопотреблении: частота обновления координат достигает 4 Гц. Как и в других приборах семейства, TIM-4A имеет встроенные средства энергосбережения, что упрощает его использование в приборах с батарейным питанием.
Модуль TIM-4P
Это полнофункциональный GPS-модуль, выполненный в корпусе для автоматического SMD-монтажа. TIM-4P имеет два последовательных порта UART для вывода данных в формате NMEA, программируемый порт ввода-вывода (3,0 В), а также встроенный антенный усилитель, что позволяет использовать активные и пассивные антенны. Модуль может программироваться, для чего в нем встроена память Flash. Этот модуль может предоставлять свои вычислительные ресурсы и Flash-память для выполнения вспомогательных задач. Из отличительных особенностей можно отметить, что имеется отдельный вывод для подачи питания на память и встроенный тактовый генератор.
Модуль TIM-4S
Характеризуется высокой чувствительностью (-158 дБм) и наличием встроенного
термостабилизированного кварцевого генератора TCXO. Кроме того, TIM-4H имеет два последовательных порта UART для вывода данных в формате NMEA или UBX и встроенную Flash-память для хранения данных.
Сверхчувствительные модули
В семействе Antaris 4 имеются два сверхчувствительных модуля: LEA-4H и TIM-4H. Предшественники этих устройств — модули TIM-LH — хорошо известны разработчикам. Использование таких сверхчувствительных модулей выводит разработку на качественно новый уровень: теперь пользоваться GPS-приемником можно в различных закрытых сооружениях. Его также можно использовать с закрытой антенной внутри автомобиля, кроме того, во многих случаях могут быть использованы миниатюрные антенны (с меньшим коэффициентом усиления).
Чтобы проиллюстрировать широкие возможности сверхчувствительных модулей, инженеры компании uBlox провели их испытания в сложных условиях с малым сигналом от спутников. Результаты оправдали все самые оптимистичные ожидания. Рассмотрим условия проведения испытаний:
• Коридоры и узкие проходы в магазинах. Наблюдалась отличная точность определения координат при сильно ослабленном GPS-сигнале, отношение «сигнал-шум» находилось в диапазоне 10-20.
• Залы метро и железнодорожных вокзалов. Структура сооружений вокзалов более разнородная, что дает слабое перемешивание и сильные сигналы, которые постоянно изменяются.
• Проезд по тоннелям и закрытым станциям обслуживания. Это испытание демонстрирует функциональность GPS-приемников со скрытыми антеннами: приемник продолжает функционировать при проезде через закрытые сооружения. Такая функ-
Таблица 4. Характеристики приемной части модулей LEA-4S и LEA-4T
Тип приемника 16 каналов, L1 freq., код C/A
Максимальная частота обновления 4 Гц
Точность Местоположение 2,5 м CEP
ООРБ/БВАБ 2,0 м CEP
«Горячий» старт <3,5 с
Время старта «Теплый» старт 33 с
«Холодный» старт 34 с
Повторный захват <1 с
Сопровождение -158 дБм
Чувствительность Обнаружение -148 дБм
«Холодный» старт -142 дБм
Временная точность Среднеквадратическая 50 нс
99% <100 нс
Ограничения работы Высота над уровнем моря 18 000 м
Скорость перемещения 515 м/с
циональность может быть крайне полезной в тех случаях, когда центру логистики необходимо иметь постоянный контроль местоположения объекта.
• Передвижение по городу при расположении приемника со скрытой антенной под сиденьем или под самим автомобилем. Это испытание доказало, что такое расположение в городских условиях обеспечивает непрерывную работу GPS-приемника.
После нахождения спутника модуль TIM-LH в среднем потребляет 174 мВт при напряжении питания 3,0 В. График зависимости рассеиваемой мощности от уровня сигнала приведен на рис. 3.
При использовании GPS-приемников за пределами помещений наблюдается пере-отражение сигналов и их многолучевое распространение, что вызывает задержки распространения волн от различных спутников и точность определения координат заметно снижается. Более подробную и исчерпывающую информацию по многолучевому распространению волн можно найти в статье [5].
Средства разработки
При использовании GPS-модулей семейства Antaris 4 процедура проектирования конечного устройства предельно упрощается. Чтобы помочь разработчикам быстро начать работать с новыми модулями, а также обеспечить их удобным средством отладки и макетирования, официальный дистрибьютор продукции uBlox — компания «МикроЭм»
мВт 300 200 100 Рассеиваемая мощность (при напряжении питания 3,0 В)
-1 30 -135 -140 -145 -150 —155 —160 дБм ровень сигнала
Рис. 3. Зависимость рассеиваемой мощности сверхчувствительного модуля Т1М-Ш от уровня сигнала
1 " Т ’ О ■ ■ t * 1 > | ' niiLHl . I ■** ' -В * 1 # "j * ' о
О J 1 £ | 1 Й J Tq
т 1 г и 1 ; 11J {|1
Рис. 4. Внешний вид демонстрационных плат для GPS-модулей семейства Antaris 4
^ ¥¥ .шкгоеш.г и) — разработала демонстрационную плату (рис. 4). Демонстрационная плата изготовлена на базе ОРв-модулей ББЛ-4А и ББЛ-4Н. Очевидно, что параметры платы определяются параметрами ОРв-мо-дуля, установленного на плате. Плата на модуле ББЛ-4Л содержит два порта Ив-232 и один порт ШВ. Демонстрационная плата позволяет протестировать самый дешевый вариант ОРв-модуля — ББЛ-4Л. Плата на модуле ББЛ-4Н содержит один порт Ив-232 и один порт ШВ. Эта демонстрационная плата позволяет протестировать самый чувствительный вариант ОРв-модуля — ББЛ-4Н.
Питание платы осуществляется от ЛС/БС-адаптера с выходом 9 В (0,3 А) в случае использования интерфейса Ив-232 (в случае использования ШВ наличие адаптера не требуется).
Всю необходимую информацию о демонстрационной плате — электрическую схему, размещение элементов на плате, топологию печатной платы, а также подробное описание схемы — можно найти в Интернет [4]. В описании схемы разъяснен выбор каждого элемента, поэтому схему можно с успехом использовать в качестве основы для собственных разработок, модифицируя ее в соответствии с потребностями. ■
Литература
1. Федоров В. ОРв-модули компании цВ1ох // Беспроводные технологии. 2005. № 1.
2. Маханьков А. СРБ: основные термины и определения // Беспроводные технологии. 2006. № 1.
3. Ы tp: /М ww.microem.r u/pages/u_blox/index.ht ml
4. Ы 1р: //ww w.microem.r u/pages/u_blox/ DemoBoardAnt4/DemoBoard.ht т
5. Михайлов С. Влияние многолучевости распространения радиоволн от навигационного космического аппарата на точность определения координат ОРв-приемником // Беспроводные технологии. 2006.
^
