В. Нестеров
Новости Электроники 19, 2007
С-GPS-плагин, GPS-чипсет и беспроводные процессоры от компании Wavecom позволяют интегрировать функции GPS в готовое GSM/GPRS-устройство, используя всего один микроконтроллер. О практическом применении такого комплекта в разработке навигационного устройства рассказывает предлагаемая статья.
Задача определения координат, скорости и высоты над уровнем моря с появлением технологии GPS перестала быть чем-то необычным. В настоящее время, с появлением GPS-приемников, которые позволяют определять координаты с точностью до нескольких метров, ее можно решить за считанные секунды с использованием связки «GPS-приемник + GSM/GPRS-модуль + микроконтроллер». В этом случае контроллер получает по последовательному порту NMEA сообщения с координатами от GPS-приемника, обрабатывает их и передает GSM/GPRS-модулю для отсылки в диспетчерский центр. В такой схеме используются, в общей сложности, три микроконтроллера: главный, микроконтроллер в GPS-приемнике и микроконтроллер в GSM/GPRS-модуле. Однако существует возможность удешевить устройство, если использовать всего один мощный микроконтроллер. Это возможно при совместном применении беспроводных процессоров компании Wavecom и плагина C-GPS (Companion GPS). В этом случае используется один мощный микроконтроллер на ядре ARM9, который управляет стеком GSM и получает данные от GPS-чипсета. C-GPS-плагин доступен для беспроводных процессоров Q2686/87 и WMP50/100/150. Краткие характеристики рассматриваемых беспроводных процессоров приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики беспроводных процессоров Q2686/87 и WMP50/100/150
Q2686/87 | WMP50/100/150 | |
---|---|---|
Процессор | ARM9 | |
Архитектура | 32 | |
Тактовая частота, МГц | 104 | |
Open AT MIPS max. | 87 | |
Open AT Flash, МБ | 1,5 | внешняя |
Open AT RAM, кБ | 256 | внешняя |
АЦП | 2 | 4 |
ЦАП | 1 | |
UART | 2 | |
USB | 2.0 | |
I2C | 1 | |
LED-драйвер | 1 | |
GPIO | до 44 | |
Клавиатура | 5 х 5 |
C-GPS-решение от компании Wavecom дает разработчикам возможность легко интегрировать функции GPS в свое GSM/GPRS-устройство на базе беспроводных процессоров, используя готовые библиотеки и программную среду Open AT. Эти библиотеки позволяют управлять C-GPS-чипсетом. В текущем релизе используется RF-чипсет Opus One совместно с baseband-чипсетом Prelude One компании e-Ride. Характеристики этой связки приведены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики чипсета Opus One + Prelude One
Число каналов приема |
32 |
Чувствительность обнаружения, дБм |
-145 |
Чувствительность слежения, дБм |
-157 |
Точность определения координат вне помещений |
3,0 м CEP |
Точность определения координат внутри помещений |
15,0 м CEP |
Время холодного старта, с |
38 |
Время теплого старта, с |
36 |
Время горячего старта, с |
2,5 |
Напряжения питания, В |
3 и 1,2 |
Максимальная потребляемая мощность, мВт |
160 |
Рабочая температура, °С |
-40...85 |
Режимы |
Автономный, A-GPS |
На основе Opus One/Prelude One компания eRide выпускает готовые модули EMD1100Z (MiniRide) и EMD1000K (CompactRide) (рис. 1).
Рис. 1. Чипсет Opus One + Prelude One
EMD1000K ниже по цене, чем EMD1100Z, но имеет больший размер. Для C-GPS можно использовать любое из этих решений.
Компания Wavecom предоставляет отладочный комплекс (рис. 2) для C-GPS-решения, состоящий из дочерней платы C-GPS и отладочных комплектов для беспроводных процессоров Q2686/87 или WMP50/100/150.
Рис. 2. Отладочный комплект для C-GPS-решения
Этот комплекс позволяет уменьшить время разработки готового устройства. Дочерняя C-GPS-плата (рис. 3) имеет разъем, одинаково подходящий как к отладочному комплекту для Q2686/87, так и к комплекту для WMP50/100/150.
Рис. 3. Дочерняя плата C-GPS
Рис. 4. Отладочный комплект WMP100
Рассмотрим C-GPS-решение на примере модуля CompactRide. Структурная схема модуля приведена на рисунке 5, а блок-схема соединения модуля с беспроводным процессором - на рисунке 6.
Рис. 5. Структурная схема модуля CompactRide
Рис. 6. Блок-схема соединения модуля CompactRide с беспроводным процессором
Все цифровые цепи модуля расположены на его правой стороне, все RF-цепи - на левой стороне (см. рис. 7).
Рис. 7. Печатная плата модуля CompactRide
Это сделано для того, чтобы все потенциальные источники шума были расположены как можно дальше от высокочувствительной RF-части. Исключения составляют только сигналы TCXO_EN и RESET, но в нормальных условиях эти сигналы имеют статичное значение, поэтому мешать работе не должны. Конденсаторы, стоящие по питанию цифровых цепей, расположены поблизости от входного сигнала.
Модуль питается двумя напряжениями: 1,2 и 3 В, однако требования к напряжению питания RF-части - более строгие, поэтому в типовой схеме нужно использовать три регулятора напряжения: на 1,2 В для питания ядра, на «чистые» 3 В для питания RF-части (в дальнейшем «3 В RF»), и на 3 В для питания baseband. Допускается использование двух регуляторов, на 1,2 и на 3 В, но при этом RF-часть запитывается через дополнительный LC-фильтр. Необходимо тщательно подойти к выбору регуляторов напряжения. В случае, если нет возможности использовать микросхемы, рекомендуемые eRide, заменять их надо на аналоги с теми же или лучшими характеристиками, иначе разработчик рискует получить чувствительность ниже заявленной. Как правило, в этом случае GPS-приемник будет видеть спутники, но захватить сигнал и определить координаты не сможет.
Временные диаграммы включения модуля приведены на рисунке 8.
Рис. 8. Временные диаграммы включения модуля CompactRide (пояснения см. в тексте)
Последовательность включения модуля следующая: подается питание 1,2 В, затем 3 В и 3 В RF, причем 3 В должно подаваться только после достижения напряжением 1,2 В по крайней мере 90% величины. Затем необходимо выставить RESET в высокий уровень, но не ранее, чем пройдет 600 мкс с момента установления напряжения 3 В. Схемотехнически это можно сделать так: подать сигнал GPS_EN на вывод ENABLE регулятора 1,2 В, а сигнал с его выхода подать на вход ENABLE регулятора 3 В через RC-цепь. После этого можно посылать команду на RXD.
Временные диаграммы выключения модуля приведены на рисунке 9.
Рис. 9. Временные диаграммы выключения модуля CompactRide (пояснения см. в тексте)
Последовательность действий при выключении - следующая: подается команда выключения модуля по шине RXD, снимается напряжение 3 В, 3 В RF, потом снимается напряжение 1,2 В.
Через последовательный порт модуль C-GPS управляется командами, а так же передает предварительно обработанные данные от спутников в беспроводной процессор. Беспроводной процессор для связи с модулем использует один из двух доступных UART. Для того, чтобы получать данные с чипсета, необходимо подписаться на FCM-поток через приложение Open AT. Wavecom предлагает несколько типовых примеров, используя которые, легко создать свое собственное приложение. Второй UART можно использовать под другие задачи, например для управления AT-командами или для отправки NMEA-сообщений.
Модуль может работать в двух режимах: в автономном и в режиме A-GPS. В автономном режиме модуль декодирует навигационные данные (альманах) только от спутников, поэтому он требует, чтобы уровень сигнала на его входе был не менее -146 дБм до момента первого определения. Параметр TTFF (time to first fix) в этом режиме самый большой, так как модуль декодирует данные эфемериса со скоростью 50 бит/сек (скорость, с которой спутник передает свои данные). В этом режиме модуль может находиться около 30 секунд. После того, как модуль декодировал альманах и данные эфемериса, он может принимать сигнал с уровнем вплоть до -157 дБм. В этом режиме модуль может использовать дополнительные данные, получаемые от приложения, такие, как текущее время и текущее местоположение, если они доступны. В противном случае он использует предыдущие данные эфемериса до тех пор, пока они будут валидны (в течение шести часов).
В режиме A-GPS модуль запрашивает навигационные данные со специальных серверов посредством какого либо канала передачи данных (SMS, WAP, TCP IP и др.) и, соответственно, работает при уровне сигнала до -157 дБм. В этом режиме параметр TTFF самый маленький. Интерфейс модуля не привязан к определенным серверам, поэтому может работать с любыми серверами, предоставляющими навигационные данные.
Модуль MiniRide (рис. 10), как уже было сказано, отличается от CompactRide меньшими размерами и более высокой ценой.
Рис. 10. Модуль EMD1100Z
Все рекомендации, данные для модуля CompactRide, справедливы и для MiniRide. Диаграммы включения и выключения модуля полностью аналогичны. На рисунке 11 приведена принципиальная схема соединения модуля MiniRide с отладочным комплектом Q2686/87 или WMP50/100/150.
Рис. 11. Соединение MiniRide с отладочным комплектом Q2686/87 или WMP50/100/150
Разрешающие сигналы модуля соединены с цифровыми выходами беспроводного процессора. Все они управляются с помощью приложения Open AT.