我们以 u-blox 公司 2006 年度最热门的 LEA-4S 来实际制作相应的 GPS 产品 , 以帮忙大家用最少的时间来理解 u-blox 的 GPS 产品 , 进入美妙的 GPS 设计高速通道 :
我们先来看看 u-blox LEA-4S 的引脚排列 :
典型应用范例 :
LEA-4S 最典型的无源天线应用线路图
提示 : 为方便调试及应用 , 一般选用模块外接单片机的 COM 口建议选用第三脚及第四脚 , 原因是为了方便与 LEA-4H 兼容 , 进行测试替换 , 因为 LEA-4H 只有一个 COM 口 , 就是第三脚跟第四脚 *
以上图示中 ,VCC 为 3V 供电 , 对电源要求纯正稳定 , 纹波系数为不能大于 50mV, 备用电池为 SII 的可充电锂电 MSP621
u-blox 无源天线 GPS 版本参考外观图
( 声明：上图版权属于 u-blox 公司所有，在此仅为引用参考之目的，由于版权关系，我们不提供上图相应的 PCB 及接线方式文件，敬请读者见谅）
GPS 模块电源供电的处理及其重要性
由于 LEA-4S/4H/4S-1 系列高感 GPS, 灵敏度实在是太高 , 甚至可以在弱信号环境接受到微弱的反射信号从而应用于恶劣环境导航 , 当然 ,u-blox 有自己的一套 GPS 算法 , 可以在强信号滤除这些影响精度的干扰或反射信号 , 所以在弱信号环境 , 虽然能收到信号 , 但是这些信号往往包含反射及折身信号 , 往往飘移及误差也会加大 , 但我们从现实出发 , 客户在室内定位能够收到一个精度不高但是可以定位的信号往往比普通 GPS 模块不能收到任何信号感觉肯定要好 !
但高灵敏度模块捕获能力的同时对电源部分或其它 RF 部分引起的干扰也是极为敏感 , 在通常很多客户的电源来自于 DC/DC 的情况下 , 出现的奇怪现象是可以接受到 16 个全部通道的绿色信号 , 这些并非 GPS 信号 , 而是由于干扰或杂波引起 , 并不是模块本身的问题 , 出现这样的原因 , 客户需要自己找出干扰源或电源部分的影响 .
我们建议客户在使用这些模块的电源上能够进行妥善的电源处理 , 例如电源前面加上精工的 3V LDO,LOD 有两个优势 , 一个是可以提供给模块一个稳定的电源 , 保证后部分模块工作不会因为电源电压引起的变化而引起电源阻抗的变化 , 若电源电压变化的同时将会导致电源的内阻稳定性劣变 , 也会影响到模块性能的发挥 , 二来好的 LDO 可以滤除不纯净的前端信号 , 可以进行有效的降噪 , 虽然效率不及 DC/DC, 但我们认为是有必要加入 LDO 的 .
LDO 的压差越小 , 消耗的内部功率就会越小 , 而且有利于 LDO 本身的温度控制 , 比较理想的是 LDO 前级是在 4V 左右输入 , 后级 3V 输出 , 模块部分 150mA 已经足够 , 但对于 GPS 模块而言 , 一般情况下 , 在模块冷启动到模块完全稳定工作时的功率消耗会是平时功耗的 1.5-2 倍左右的功耗 .
电源应该加上电感及电容阻成的多重滤波网络 , 按照最高级别的 RF 标准设计 .
GPS 天线的选择及使用
无源天线推荐使用 18*18*4 以上级别 ( 例如 25*25*4 的陶瓷天线效果在性能及体积方面往往为表现最佳 ), 我们发现，同种类型越大尺寸的天线往往更容易获得高的灵敏度，例如军用的 GPS ，为了获得最高级别的灵敏度效果， GPS 天线的尺寸足有脸盆大小，真是叫人汗颜！不过发现目前最好的 GPS 天线类型仍属于平板陶瓷天线，唯一遗憾的是它相对有些方向性及尺寸有些偏大，用超小尺寸贴片型无源天线的客户要特别小心了，由于天线的信号过于微弱可能会导致整机灵敏度不高的问题！
要特别注意从天线端口到 RF_IN 的引脚之间的 PCB 连线高频阻抗匹一定要进行 50 欧姆阻抗匹配 , 要特别注意高频布线原则 , 就是天线部分尽可以少受到其它无线 RF 的干扰 . 否则会极大的影响到整机的灵敏度 , 另外无源天线本身信号较弱 ,RF_IN 端的天线输入端走线需要尽量的短 , 否则会牺牲一定的灵敏度 , 在 RF_IN 附件的铺地应该采取均匀的铺地过孔包围 RF_IN 的设计设计 , 以保证良好的屏蔽效果 , 过孔应加绿油以更加强屏蔽外界对其的干扰 , 在足够空间的情况下可以对其进行金属屏蔽罩处理 .
无源天线由于会受到整外壳的影响会产生一定的频率偏差 , 往往需要天线厂家进行相应的调校 , 以便达到最好的工作状态 , 事实证明 , 在有效调整整机的无源天线的匹配情况下 , 可以最大限度的发挥出无源天线本身的灵敏度 .
无源或有源天线后部的 PCB 接地 , 则是越大越好 , 对灵敏度将会产生一定的影响 , 例如我们常用的车载 GPS, 往往是整个天线吸在车顶 , 而车顶相当于一个大的接地反射面 , 往往会取得非常好的灵敏度 .
事实证明 , 无源天线后部不同的接地面积也反映了不同的灵敏度 , 自然是铺地面积越大的板子 , 灵敏度越高 , 所以在一般情况下应该尽量增加天线后部 PCB 的铺地面积 , 同时无源天线应该尽量摆放于后部 PCB 接地的正中央 .
天线部分引线应该尽量的避免靠近电源及模块部分 , 例如以上的 RF_IN 脚的线路应该避免太近于 GPSMODE5 或是其它数字部分线路 , 否则会有部分干扰影响灵敏度 ! 同时天线走线的外围最好能进行细的密包地过孔设计 , 阻止其它杂波干扰 .
有源天线由于陶瓷天线已经在外壳并已进行过调效匹配 , 所以使用相对简单 , 并且由于有源天线内部有经过 LNA 的放大 , 即使 RF_IN 走线稍长 , 影响也比相对较小 , 适合于较高灵敏度的场合 , 对于实际制作将会降低相应的难度 , 而事实上 , 成功的无源天线跟有源天线的灵敏度是极为接近的 , 如果灵敏度相差太大不能简单的认为无源天线灵敏度不够 , 而只能说是无源天线要设计得棒实在是太难 !
至于 LNA, 对 LNA 的选择是非常严格的 , 除了放大倍数之外最主要还是噪声系数 , 因为在放大有效信号的同时会同内部噪音一起放大 ! 如果噪音太大 , 会极大的影响到 GPS 灵敏度的发挥 . 不好的 LNA 对天线部分有极大的影响 . 所以各位天线厂家在选择 LNA 的时候千万不能因为省 MONEY 而失去重要的参数性能 .
整机强调性噪比的重要性
对于整机的设计而言 , 模块接地与数字接地应该严格区分并单点接地 , 对于提高整机的性噪比有一定的影响 , 要特别注意 RF_IN 的影响 , 不要被有源高速器件如高速 SD 卡 /CPU 所干扰 , 对于 PMP 或手机面言 , 背光灯所用的高压 LED 驱动干扰最为严重 , 要加强屏蔽 , 以减少对 RF 部分的影响 , 机器内部的各种各样的电磁反射 / 折射会严重的影响机器的灵敏度 , 除了天线的选择之外 , 良好的 EMI 处理是保证设计成功的关键之一 .
对于 GPS 而言 , 要收到一颗星的信号是相当于大海捞针般不易 , 技术含量金之高 , 是其它通讯设备无法比拟的 , 在这里我们强调信噪比 , 很多客户不能够理解为什么信噪比会极为重要 ?
例如在你住在古老的村庄里 , 晚上睡觉的时候能够听到 1 公里之外布谷鸟发出的 " 咕咕 " 的声音 , 布谷鸟的声音有多大呢 ? 会跟我们人的喊话声音是相差不大的 , 甚至于远处青蛙的叫声相信你一定是听得清晰明了 , 以至于爱失眠的你半夜无法入睡 .
反而言之 , 如果你站在大街上 , 如火车站 , 呼啸的火车穿流不息 , 在这种情况下 , 恐怕就是有人跟你面对面 10 米 大声吼叫 , 你也无法知道他说话的内容 , 因为他的声音全被噪音给掩盖了 , 我们无法分辩出来相应的内容 .
但青蛙的叫声 , 或是布谷鸟的声音或是人声 , 简单来说是基本相同的音量 , 为什么会出现这种情况 , 原因是在噪音太大的环境里无效的噪声将有效信号全给掩盖掉了 .
反而言之 , 越是微弱的信号 , 越需要 " 掉在地上一根针也能听到 " 的理想环境才能够分辩 , 纯静纯静 , 再纯静 , 这就是 GPS 对信噪比要求极高的精髓 , 也是技术金含量最高原因之所在 , 所以你也能顺畅理解为什么 GPS 模块对电源及 RF 要求高的真正原因了 , 你也能够准确理解低噪 LNA 价钱贵的原因了 .
GPS 模块软件算法处理的重要性
而且 , 而对大海捞针般捕获到的信号 , 你还需要分辩信号的真伪及取舍 .
为什么会有信号的真伪呢 ? 例如 ,GPS 同时收到两个信号 , 一个来自于直接的天空卫星直接的信号 , 信号没有经过任何处理 , 而另一个信号是经过反射折射之类的信号 , 信号质量已经劣化 , 导致误差加大 ,GPS 模块需要提练相应的直接信号 . 如何辩别这些信号的不同这点是所有 GPS 厂商设计的秘密 , 也是顶级 GPS 与低档 GPS 本质的区别 , 也是精度不同的真正原因所在 ,u-blox 敢于从 2001 年开始认为自己的模块达到了 2.5 米 的精度要求 , 与瑞士人与生俱来的精度运算及精密滤波处理是分不开的 ,u-blox 的 GPS 基本上等同于瑞士的钟表 , 卓而不凡 , 对精度及品质要求异常严格 .
至于取舍 , 又是一个难以处理的问题了 ,GPS 同时会收到很多的信号 , 例如同时收到 9 颗星 , 它会不会全部直接用于导航呢 ? 答案是不会 , 它只会从其中挑选信号质量最好的四颗用于导航 , 它会把 9 颗星的信号全部进行四颗一组 , 四颗一组这样的组合运算 , 然后挑选其中最完美的一组做为最终采纳的信号 , 这其中又牵涉到了一个组合算法的问题 , 究竟哪个算法是最完美的 , 哪种算法能够让精度达到最高 ? 这点不仅要有良好的理论基础 , 同时还要有长时间的观察细致的实践 , 这又是 GPS 设计厂商的一个不公开的秘密武器了 .
u-blox 能够精确的从这些组合当中挑选最好的真实信号进入后期处理 , 这些都是一般的 GPS 厂商无法做到的 .
以上线路图当中介绍的是典型最简单的应用及部分 GPS 模块的基本原理 , 上面的线路图就是一个最简单的 UART 电平输出的 GPS 系统 , 或是可以跟 PC 用 USB 连接了 .
* 友情提示 :u-blox 的模块内置 USB 驱动目前是支持 32 位操作系统 win98/2000/XP/2003, 其它操作系统有可能不支持 , 待验证 *
LEA-4S/4H 的 USB 连接接线图
注意 , 如果是直接跟 USB 连接 , 还要注意电源部分的处理 , 推荐使用增加 SII 的 S-1112B 30M 3V LDO,80db 的高纹波抵制率 :
LEA-4S USB 接口线路图
LEA-4S 的有源天线供电电路两例
我们通过以上电路看出 ,LEA-4S 对有源天线支持 , 主要是对 RF_IN 端进行了 3V 电源的供应 , 给有源天线的提供 LNA 放大器所需要的电压 ,R_BIAS 电阻推荐使用 10 欧姆 , 若使用有源天线 , 我们推荐使用 25*25*4 的 3V 有源天线 .
u-blox LEA-4S 封装尺寸图
OK, 至此 , 相信大家对 u-blox 的 GPS 模块有了一个简单清晰的认识了吧 .
3000 公里移动目标之后 GPS 模块的冷启动
之前忽略跟大家交代的一个事情则是关于 GPS 模块的冷启动的问题
GPS 模块在出厂的时候是没有星历存储在里面的，但是如果是客户做出来的成品 GPS ，在做成样品送给客户之前往往会做一些相应的实际测试，这个时候模块内部就会保存当前的星历参数 , 然后这些产品在发出来给客户之后，有些客户可能是在海外，机器在启动后由于自动寻找上一次测试地点的 GPS 星历 , 星历参数肯定是不同的 , 由于无法及时辨认当地的 GPS 信号而出现长时间无法定位的问题，我们在此要特别提醒客户，超过 3000 公里之后，一定要增加相应的指令对机器进行冷启动，清除当前的星历参数，重新定位，否则机器会出现长时间无法定位的问题，用单片机如何实现冷启动的方式可以参见以下文章：
u-blox 公司GPS 模块的波特率修改及与单片机接口参数应用
如果是没有 MCU 控制的客户，则需要对备份电源进行放电及 GPS 内部星历参数进行清空处理
系统综合设计的重要性
往往一个系统的设计 , 面临到 EMI 电磁兼容性 , 良好的天线部分设计 , 及跟模块配套的 PCB 设计 , 都会对最终的产品产生不可估量的影响 , 如果您的产品设计有问题 , 将会彻底的影响到模块性能的发挥 , 或是出现各种异象情况 , 我们不能简单的例如灵敏度 , 异常情况出现 , 飘移太大等等将所有出现的问题归咎于模块本身的原因 , 例如 u-blox 的模块经过类似于奔驰法拉利这样的客户严格测试 , 模块是不可能出现这种荒谬的问题 , 经过调查发现 , 绝大多数的客户在设计当中出现不可回避的问题或是对于 RF 产品不熟悉而产生的错误观念的设计 , 好的产品设计不仅需要参考到专家提供的各种各样的正确的意见 , 还需要进行长期的基础性的研究及摸索 ,u-blox 就是在历经风风雨雨过程当中成长起来的公司 , 对于 RF 部分 , 不能抱轻敌的态度 , 或是过于自信的处理 , 各种各样的问题需要实践及理论影响相互结合 , 才能最大限度发挥模块的优势 .
全世界 90% 以上的厂商采用 GPS 模块模式 , 但国内的情形就不同 , 很多人询问 GPS 芯片制作方案及软件 GPS 技术 , 甚至一度有 GPS 厂商简单到以为用 GPS 芯片做成模块到了今天类似于 MP3 拿起铬铁焊好就 OK 的程度了 , 言称已经完全掌握了 " 成熟的掌握了相应模块生产技术 , 可以极好的控制成本 ", 以下结合实际为大家分析以下两种讨论最多的方案的不可行性 , 供各位在 GPS 领域的同仁位参考 :
芯片 GPS 方案的不可行性研究
现在网上越来越多的呼声来讨论采用 GPS 芯片方案来做 GPS, 成本的优势自然是可以降低 , 可是绝大多数厂商过高估计了自身 RF 设计能力 , 往往没有能够意识到其中的风险 :
1: 大多数公司不具备相应顶尖的 RF 工程设计师 , 一个真正合格的 GPS 模块设计工程师需要有 5 年甚至更长时间的 RF 设计经验
2: 对于软硬件配合的开发 , 尤其是关键的源代码 , 是掌握在极少数如 u-blox 这样的上游厂商手里 , 想要自行开发 , 十分的困难 , 除非能得到厂商的支持
3: 不具备合格的测试条件 , 对动辄几百万 ( 入门级 ) 的测试设备 , 一般的厂商也无法承受
4: 不具备相应的硬件加工条件 , 品质无法控制 , 例如 u-blox 投入巨资的 X 光全自动探测系统及全自动生产线 , 还有 u-bolx 投入巨资独家开发的 GPS 软硬件全自动检测系统 , 全世界仅有两三家工厂能够有实力投资采用 , 模块出厂后在客户产品使用中可能出现的不良品小于 100 万分之 50(50ppm), 平均无故障使用寿命为每天 24 小时 ,365 天不间断连续使用超过 16 年 ,99% 的厂商是无法进行这样的品质管理控制的 , 一度有厂商因为品质问题倒闭的先例不乏少数
经过两次 X 光检测之后 ,u-blox 公司的在生产过程中的经过严格检测之后不良品率低于千分之二 ( 不良品将会当成废品处理 ) 成为行业最高标准 .
5: 模块不易升级 , 开发周期长 , 一般需要四到六个月以上 , 一旦开发完成 , 而且必须大批量生产半年或一年以上才能够有效的回收投资成本 , 可是现有的产品更新换代快 , 几乎是每年都要有换代 , 而芯片生产而言即使有更好的平台 , 也是较难以更换的
6: 自行设计生产 GPS 风险极大 , 有过不少失败的案例 , 即使能生产出来 GPS 模块 , 即使能够使用 , 与例如 u-blox 这样原厂设计 , 原厂生产的模块还是具备相当大的性能技术品质差距 , 基本上可以认为是 相对成本较低的模块 = 相对性能较低的模块 , 事实上 , 就等于压缩了银两来采购低一个档次的模块 , 其结果往往投入了巨大的投资及人力并不能达到理想的程度 , 低质的产品对于要求较高的行业 , 显然是不用考虑的 , 只会在低档产量极大纯粹关心价格 , 且可以忽略所带来的技术问题的才会考虑这样的构想
奉劝不具备相应的实力的中小型企业 , 建议放弃芯片设计途径 , 还是以采购模块为现状 , 在大量产能的前提下 , 完全可以通过议价方式来降低成本 , 与其投入这些费效比低且投资巨大的产业 , 不如将这些人力物力投资在现有的新产品研发上 , 各家专注自已的强项 , 成品的利润是绝对高于零部件的 .
当然对于具备条件的公司 , 有稳定的订单 , 有强大的 RF 研发能力 , 有良好的财力背景 , 也还是有可能性的 , 不过这样的公司依我们之见在国内尚属极少数 , 用凤毛麟角来形容是再合适不过了 .
软件 GPS 方案的不可行性研究
关于网上讨论热烈的软件 GPS 技术 , 就是依附于系统的主 CPU ARM9 完成 GPS 软件的运算 , 我们也是坚决投不赞成票的 , 原因如下 :
1: 软件 GPS 目前还是处于初始阶段 , 没有得到足够的认可 , 技术层面存在相应的不足 , 相应的太多技术问题没有得到解决
2: 软件 GPS 需要硬件的支持 ,GPS 软件跟相应的程序硬件一块在 ARM9 共用运算会有相应的冲突及影响 , 会占用部分极为紧张的 ARM9 资源
3: 软件 GPS 无论是精度还是灵敏度 , 启动时间等在其它各项性能参数 , 还不足以达到实用化的程度 , 更不用谈到可以用于实际导航 , 换而言之 , 它现有的情况是只能呆在实验室里供研究
4: 除了成本低之处 , 对 RF 处理部分要求极高 , 在目前的天线技术没有得到长足的情况下 , 软件 GPS 的表现会让人十分的沮丧 ,RF 对厂商的处理依然是不可跨越的沟鸿 .
到今天为止 , 也没有任何 GPS 公司用软件 GPS 形成批量生产效应 , 或许是在未来的五年后 , 有可能实现 , 但是在近期 , 我们面对应用的现实 , 现阶段必须以采购模块为现实 .