Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №6

Новое семейство GPS-модулей Antaris 4 производства компании uBlox

Александров Роман


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 выбора прибора для конкретных приложений, но и улучшенные характеристики 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).

Таблица 1. Семейство GPS-модулей Antaris 4
Таблица 1. Семейство GPS-модулей Antaris 4

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 будут производиться и поставляться во всех типах корпусов еще долгое время.

Таблица 2. Параметры GPS-модулей семейства Antaris 4
Таблица 2. Параметры GPS-модулей семейства Antaris 4

GPS-модуль LEA-4A

Рис. 1. Блок-схема GPS-модуля LEA-4A
Рис. 1. Блок-схема GPS-модуля LEA-4A

Это недорогой модуль размерами всего 17×22,4×3 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 USB 1.1 (совместимого с USB 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 Flash-памяти (для снижения его стоимости), высокую экономичность (потребляемый ток всего 34 мА при напряжении питания 2,7 В; имеется несколько энергосберегающих режимов), поддержку A-GPS и автономной работы GPS, наличие функции AssistNow. Кроме того, отметим, что скорость обновления местоположения составляет 4 Гц, а также то, что модуль имеет один интерфейс USB и два UART (уровни напряжения могут программироваться). К LEA-4A может быть подключена как пассивная, так и активная антенна. Модуль предназначен для поверхностного монтажа и может устанавливаться на плату полностью в автоматическом режиме, безвыводной вариант модуля совместим с директивами RoHS по бессвинцовой пайке.

Таблица 3. Характеристики модуля LEA-4A
Таблица 3. Характеристики модуля LEA-4A

GPS-модуль LEA-4P

Этот GPS-модуль во многом схож с предыдущим — LEA-4A, основным отличием от которого является наличие Flash-памяти (минимальный объем 512 кбайт). Среди других отличий можно назвать наличие только одного интерфейса UART, 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 USB. Размеры модуля — всего 17×22 мм. Чувствительность приемника достигает –158 дБм, что позволяет использовать этот модуль с закрытой антенной 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

Рис. 2. Структурная схема GPS-модуля LEA-4H
Рис. 2. Структурная схема GPS-модуля LEA-4H

Как и прибор LEA-4S, модуль LEA-4H отличается чрезвычайно высокой чувствительностью, малым потребляемым током и небольшими размерами (17×22 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 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.

Таблица 4. Характеристики приемной части модулей LEA-4S и LEA-4T
Таблица 4. Характеристики приемной части модулей LEA-4S и LEA-4T

Модуль TIM-4A

Прибор имеет малое энергопотребление. Его габаритные размеры составляют 25,4×25,4×3 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 функциональность 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.

Рис. 3. Зависимость рассеиваемой мощности сверхчувствительного модуля TIM-LH от уровня сигнала
Рис. 3. Зависимость рассеиваемой мощности сверхчувствительного модуля TIM-LH от уровня сигнала

При использовании GPS-приемников за пределами помещений наблюдается переотражение 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» (www.microem.ru) — разработала демонстрационную плату (рис. 4). Демонстрационная плата изготовлена на базе GPS-модулей LEA-4А и LEA-4H. Очевидно, что параметры платы определяются параметрами GPS-модуля, установленного на плате. Плата на модуле LEA-4A содержит два порта RS-232 и один порт USB. Демонстрационная плата позволяет протестировать самый дешевый вариант GPS-модуля — LEA-4A. Плата на модуле LEA-4H содержит один порт RS-232 и один порт USB. Эта демонстрационная плата позволяет протестировать самый чувствительный вариант GPS-модуля — LEA-4H. Питание платы осуществляется от AC/DC-адаптера с выходом 9 В (0,3 А) в случае использования интерфейса RS-232 (в случае использования USB наличие адаптера не требуется).

Рис. 4. Внешний вид демонстрационных плат для GPS-модулей семейства Antaris 4
Рис. 4. Внешний вид демонстрационных плат для GPS-модулей семейства Antaris 4

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. GPS-модули компании μBlox // Беспроводные технологии. 2005. № 1.
  2. Маханьков А. GPS: основные термины и определения // Беспроводные технологии. 2006. № 1.
  3. http://www.microem.ru/pages/u_blox/index.html
  4. http://www.microem.ru/pages/u_blox/DemoBoardAnt4/DemoBoard.htm
  5. Михайлов С. Влияние многолучевости распространения радиоволн от навигационного космического аппарата на точность определения координат GPS-приемником // Беспроводные технологии. 2006.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке