У вас есть идея, которую вы хотели бы реализовать на рынке? В этой серии Джон Тил описывает процесс масштабирования от прототипа до производства. Следуйте каждой статье, чтобы подробнее узнать, как объединять отдельные компоненты.
Система глобального позиционирования (GPS), должно быть, одна из самых крутых технологий, когда-либо придуманных человеком. Хотя GPS стал обычным явлением благодаря смартфонам, он по-прежнему остается удивительно продвинутой технологией. Однако всего за несколько долларов можно включить GPS в ваш новый электронный продукт.
Введение в GPS
GPS была разработана военными США в конце 70-х годов. Система состоит как минимум из 24 спутников на высокой орбите вокруг Земли. Эти спутники движутся со скоростью почти 9 000 миль в час и вращаются на высоте 12 000 миль. На каждом спутнике установлены атомные часы с точностью около 1 наносекунды. Спутники распределены таким образом, чтобы из любой точки поверхности Земли была прямая видимость как минимум четырех спутников. Приемник GPS на земле получает данные о времени и местоположении от этих спутников на несущей радиосигнале 1,575 ГГц.
Приемник GPS может затем определить расстояние до каждого спутника, рассчитывая, сколько времени потребуется радиоволнам, которые распространяются со скоростью света, чтобы достичь приемника. Зная точное расстояние и местоположение (закодированное в сигнале) как минимум трех спутников, микропроцессор приемника может определить свое местоположение трилатерально. Четвертый спутник необходим для дополнительной проверки и корректировки времени.
Термин GPS на самом деле относится только к использованию спутниковой сети, управляемой Соединенными Штатами. Однако действуют и другие навигационные системы, такие как российская сеть ГЛОНАСС, китайская сеть BeiDou, европейская сеть, которая вскоре станет сетью Galileo, и японская сеть QZSS. Термин «Глобальная навигационная спутниковая система» (ГНСС) является более общим термином, который относится к любой из вышеперечисленных систем.
Реализация
Реализацию можно разделить на три типа решений: полные модули с антенной, чиповые модули без антенны и дискретные чиповые решения. В таблице 1 ниже приведены преимущества и недостатки каждого типа решения.
Я всегда советую предпринимателям в первую очередь сосредоточиться на минимизации рисков и затрат на развитие, даже если это означает решение, которое не принесет большой прибыли, если вообще принесет вообще. Лучше беспокоиться о максимизации прибыли после того, как вы добились реального успеха на рынке.
Все эти решения взаимодействуют с основным микроконтроллером вашего продукта через последовательный интерфейс UART. В большинстве случаев они выдают координаты GPS в стандартизированном формате, известном как NMEA (Национальная ассоциация морской электроники).
Полномодульное решение
Самый простой способ реализовать GPS - использовать полноценный модуль, включающий либо встроенную антенну, либо разъем для внешней антенны. См. таблицу 2 ниже для сравнения четырех популярных доступных полнофункциональных модулей GPS.
| Полный модуль | ГНСС | Дискретный чип | Чувствительность | Размер (мм) |
| uBlox CAM-M8 | GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Бэйдоу | uBlox | -167 дБм | 14 х 10 х 2 |
| AdaFruit Ultimate GPS | GPS, QZSS | MT3339 | -165 дБм | 35 x 26 x 7 |
| Telit SE868-A | GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Галилео | SiRF Star V | -163 дБм | 11 х 11 х 6 |
| GPS-модуль SparkFun | GPS | Коперник II | -160 дБм | 28 x 32 x 4 |
Таблица 2 – Сравнение полных модулей GPS (в порядке чувствительности от самой высокой до самой низкой)
Полные модули предлагают самую низкую стоимость разработки, но самую высокую стоимость единицы, поэтому они обычно подходят только для раннего тестирования (или для проектов DYI). Лучшее решение для вывода на рынок нового продукта - использовать чип-модуль.
Решения для чип-модулей
Решение на основе чип-модуля обычно не включает в себя встроенную антенну и обычно требует как минимум нескольких внешних компонентов. Однако чиповые модули гораздо менее рискованны, чем решения на дискретных чипах. См. Таблицу 3 для сравнения восьми доступных в настоящее время модулей микросхем.
Существует два типа сертификации FCC: непреднамеренный излучатель и намеренный излучатель. Все электронные продукты требуют как минимум непреднамеренной сертификации радиатора. Только продукты, передающие данные по беспроводной сети, требуют дорогостоящей преднамеренной сертификации радиатора. Обычно единственный способ обойти преднамеренную сертификацию FCC излучателя для беспроводного продукта (который также осуществляет передачу) - это использовать предварительно сертифицированный модуль. Однако, поскольку GPS является технологией только приема, требуется только более дешевая непреднамеренная сертификация. Это означает, что использование модуля GPS на самом деле не спасет вас от сертификации FCC.
| Чип-модуль | ГНСС | Дискретный чип | Чувствительность | Размер (мм) |
| серия uBlox M8 | GPS, ГЛОНАСС, QZSS, Бэйдоу | uBlox | -167 дБм | 7 x 7 x 1 |
| GlobalTop Tech PA6H | GPS, QZSS | MT3339 | -165 дБм | 16 x 16 x 5 |
| SkyTraq Venus838FLPx | GPS, QZSS | Венера 816 | -165 дБм | 5 x 5 |
| Wi2Wi W2SG0021i | GPS, ГЛОНАСС, QZSS | SiRF Star V | -162 дБм | 7 х 7 х 2 |
|
Maestro Wireless A2200-A | GPS | SiRF Star IV | -160 дБм | 14 х 10 х 3 |
| Linx Technologies серии F4 | GPS | SiRF Star IV | -160 дБм | 15 x 13 x 2 |
| Антенова M10478-A1 | GPS | SiRF Star IV | -160 дБм | 14 х 10 х 2 |
| Trimble Copernicus II | GPS | Н/Д | -160 дБм | 19 х 19 х 3 |
Таблица 3 – Сравнение решений GPS-модулей чипов (в порядке чувствительности от самой высокой до самой низкой
Одной из наиболее важных характеристик GPS-решения является его чувствительность (измеряется в дБм). Это связано с тем, что принимаемый сигнал невероятно слаб. Спутники GPS имеют мощность передачи всего 27 Вт. К тому времени, как сигнал преодолевает 12 000 миль, чтобы достичь вашего продукта на Земле, его мощность составляет всего около 3 x 10-16 Вт (-125 дБм)! Чувствительность еще более важна при работе внутри помещений, где уровень сигнала может составлять всего -155 дБм.
Самый большой риск при разработке решения с использованием модуля GPS-чипа - это антенна. Это справедливо для любой беспроводной технологии, но особенно это касается GPS из-за слабой мощности сигнала.
Это означает, что антенне очень важно передать как можно большую часть этой мощности на чип GPS. Чтобы добиться оптимальной передачи мощности, необходимо согласовать импеданс антенны, линии передачи, соединяющей антенну, и контакта антенны на модуле чипа GPS. Это сопротивление почти всегда составляет 50 Ом.
Сопротивление антенны и приемопередатчика GPS-чипа уже установлено, поэтому вам необходимо спроектировать линию передачи так, чтобы она соответствовала их сопротивлению 50 Ом. Я рекомендую использовать бесплатный инструмент AppCAD от Avago Technologis. На печатной плате тип линии передачи, используемой для подключения антенны, обычно представляет собой микрополосковый или копланарный волновод (см. Рисунок 4).
Микрополоска - это тип линии передачи, изготовленной на печатной плате для передачи высокочастотных радиоволн. Это проводящая полоска, отделенная от заземляющего слоя диэлектрическим слоем. Компланарный волновод аналогичен, за исключением того, что он также окружен заземляющим слоем. Сопротивление 50 Ом находится между линией передачи и землей, и его не следует путать с простым сопротивлением линии.
Помимо использования правильной линии передачи, также необходимо добавить пи-сеть (обычно фильтр CLC) между антенной и чипом GPS. Это позволяет точно настроить сопротивление антенны для оптимального согласования и максимальной передачи мощности.
Решение для дискретных микросхем
Как только ваш объем станет достаточно большим (100 тыс.+), вы захотите начать искать способы снизить затраты на единицу продукции и увеличить прибыль. Именно в этот момент лучше всего перейти на решение на дискретных микросхемах, которое может значительно снизить стоимость вашего продукта. Решение на дискретных кристаллах имеет самую высокую стоимость разработки (и риск), но самую низкую стоимость единицы продукции. В идеале вы сможете использовать тот же дискретный чип, который использовался в исходном модуле.
| Дискретный чип | ГНСС | Чувствительность |
| CSR SiRF Star IV | GPS | -160 дБм |
| CSR SiRF Star V | GPS, ГЛОНАСС, QZSS | -162 дБм |
| MediaTek MT3339 | GPS, QZSS | -165 дБм |
| SkyTraq Venus 816 | GPS, QZSS | -165 дБм |
Таблица 4 – Сравнение дискретных чипов GPS
Вывод
В большинстве случаев для первоначального тестирования лучше всего начать с полномодульного GPS-решения. Затем обновите модуль микросхемы для использования в целях тестирования на небольших объемах рынка. Как только вы достигнете больших объемов производства, вы сможете разработать решение на дискретных микросхемах, чтобы снизить стоимость вашего продукта. Не забывайте всегда начинать с решения с наименьшим риском. Этот совет верен в целом, когда речь идет о разработке продукта с ограниченным бюджетом.