为您的电子产品添加GPS(以及如何扩大规模)
有想法你想推向市场吗?在这个系列中,John Teel介绍了从原型扩展到生产的过程。请仔细阅读每一部分,详细了解如何合并各个组件。
全球定位系统(GPS)必须是人类有史以来最酷的技术之一。虽然GPS因智能手机而变得司空见惯,但它仍然是一种非常先进的技术。但是,只需几美元就可以将GPS整合到您的新电子产品中。
GPS简介
GPS是由美国军方在70年代末开发的。该系统由至少24颗位于地球周围高轨道的卫星组成。这些卫星以每小时近9,000英里的速度行进,并在12,000英里的高度上进行轨道运行。每颗卫星都带有一个原子钟,精度约为1纳秒。卫星的分布使得从地球表面的任何地方至少有4颗卫星可以看到。地面上的GPS接收器在1.575GHz无线电载波信号上接收来自这些卫星的定时和位置数据。
然后,GPS接收器能够通过计算以光速行进的无线电波到达接收器所花费的时间来确定到每个卫星的距离。通过知道至少三颗卫星的确切距离和位置(在信号中编码),接收机的微处理器能够对其位置进行三角测量。需要第四颗卫星作为冗余检查并提供定时校正。
术语GPS实际上仅指使用由美国运营的卫星网络。然而,还有其他导航系统在运作,如俄罗斯的GLONASS网络,中国的北斗网络,欧洲即将成为伽利略网络,以及日本的QZSS网络。全球导航卫星系统(GNSS)这一术语是指任何上述系统的更通用的术语。
履行
实现可以分为三种类型的解决方案:带有天线的完整模块,没有天线的芯片模块,以及分立芯片解决方案。下面的表1总结了每种解决方案的优缺点。
表1 - GPS解决方案类型的比较
我总是建议企业家首先关注最小化他们的开发风险和成本,即使这意味着一个不会留下太多(如果有的话)利润的解决方案。在获得真正的市场成功后,最好还是担心利润最大化。
所有这些解决方案都通过串行UART接口与产品的主微控制器连接。在大多数情况下,他们将以称为NMEA(国家海洋电子协会)的标准化格式输出GPS坐标。
全模块解决方案
实现GPS的最简单方法是使用包含内置天线或外部天线连接器的完整模块。有关四种流行的完整GPS模块的比较,请参见下面的表2。
完整模块 | GNSS | 离散芯片 | 灵敏度 | 尺寸(mm) |
uBlox CAM-M8 | GPS,GLONASS,QZSS,北斗 | UBLOX | -167 dBm | 14 x 10 x 2 |
AdaFruit终极GPS | GPS,QZSS | MT3339 | -165 dBm | 35 x 26 x 7 |
泰利特SE868-A | GPS,GLONASS,QZSS,Galileo | SiRF Star V. | -163 dBm | 11 x 11 x 6 |
SparkFun GPS模块 | 全球定位系统 | 哥白尼二世 | -160 dBm | 28 x 32 x 4 |
表2 - 完整GPS模块的比较(从最高灵敏度到最低灵敏度排序)
完整模块提供最低的开发成本,但最高的单位成本,因此它们通常仅适用于早期测试(或DYI项目)。将新产品推向市场的最佳解决方案是使用芯片模块。
图1 - 带天线连接器的Adafruit Ultimate GPS全模块
芯片模块解决方案
芯片模块解决方案通常不包括内置天线,并且通常需要至少几个外部组件。但是,芯片模块的风险远低于分立芯片解决方案。有关目前可用的八个芯片模块的比较,请参见表3。
图3 - Wi2Wi的GPS芯片模块
FCC认证有两种类型:非故意散热器和有意散热器。所有电子产品至少需要非故意散热器认证。只有无线传输的产品才需要昂贵的有意散热器认证。通常,绕过无线产品(也传输)的有意散热器FCC认证的唯一方法是使用预先认证的模块。但是,由于GPS是仅接收技术,因此只需要较低成本的非故意认证。这意味着使用GPS模块并不能真正为您节省FCC认证。
芯片模块 | GNSS | 离散芯片 | 灵敏度 | 尺寸(mm) |
uBlox M8系列 | GPS,GLONASS,QZSS,北斗 | UBLOX | -167 dBm | 7 x 7 x 1 |
GlobalTop Tech PA6H | GPS,QZSS | MT3339 | -165 dBm | 16 x 16 x 5 |
SkyTraq Venus838FLPx | GPS,QZSS | 维纳斯816 | -165 dBm | 5 x 5 |
Wi2Wi W2SG0021i | GPS,GLONASS,QZSS | SiRF Star V. | -162 dBm | 7 x 7 x 2 |
Maestro Wireless A2200-A
| 全球定位系统 | SiRF Star IV | -160 dBm | 14 x 10 x 3 |
Linx Technologies F4系列 | 全球定位系统 | SiRF Star IV | -160 dBm | 15 x 13 x 2 |
Antenova M10478-A1 | 全球定位系统 | SiRF Star IV | -160 dBm | 14 x 10 x 2 |
Trimble Copernicus II | 全球定位系统 | N / A | -160 dBm | 19 x 19 x 3 |
表3 - 芯片模块GPS解决方案的比较(从最高灵敏度到最低灵敏度排序
GPS解决方案最重要的规格之一是其灵敏度(以dBm为单位)。这是因为收到的信号太弱了。 GPS卫星的发射功率仅为27W。当信号行进12,000英里到达地球上的产品时,它的功率仅为3 x 10左右-16 W(-125dBm)!对于信号强度可能仅为-155 dBm的室内操作,灵敏度更为关键。
使用GPS芯片模块设计解决方案的最大风险是天线。任何无线技术都是如此,但由于信号功率较弱,GPS尤其如此。
这意味着天线将尽可能多的功率传输到GPS芯片至关重要。为了实现最佳功率传输,您必须匹配天线的阻抗,连接天线的传输线和GPS芯片模块上的天线引脚。该阻抗几乎总是50欧姆。
天线和GPS芯片收发器的阻抗已经设置,因此您必须设计传输线以匹配其50欧姆阻抗。我建议使用Avago Technologes的免费工具AppCAD。在PCB上,用于连接天线的传输线类型通常是微带或共面波导(见图4)。
图4 - 微带与共面波导(来自Avago Technologies AppCAD)
微带线是一种在PCB上制造的用于承载高频无线电波的传输线。它是通过介电层与接地平面分开的导电条。共面波导是类似的,除了它也被地平面包围。 50欧姆的阻抗来自传输线到地,不要与线路的简单电阻相混淆。
除了使用适当的传输线之外,还需要在天线和GPS芯片之间添加pi网络(通常是C-L-C滤波器)。这允许微调天线阻抗,以实现最佳匹配和最大功率传输。
离散芯片解决方案
一旦您的交易量足够高(100k +),您就可以开始寻找降低单位成本和提高利润率的方法。这是最好的迁移到分立芯片解决方案,这可以显着降低您的产品成本。分立芯片解决方案具有最高的开发成本(和风险),但是单位成本最低。理想情况下,您将能够使用初始模块上使用的相同分立芯片。
离散芯片 | GNSS | 灵敏度 |
CSR SiRF Star IV | 全球定位系统 | -160 dBm |
CSR SiRF Star V. | GPS,GLONASS,QZSS | -162 dBm |
联发科MT3339 | GPS,QZSS | -165 dBm |
SkyTraq Venus 816 | GPS,QZSS | -165 dBm |
表4 - 离散GPS芯片的比较
结论
在大多数情况下,最好从全模块GPS解决方案开始进行初始测试。然后升级到芯片模块以用于低容量市场测试目的。一旦达到高产量,就可以开发出分立芯片解决方案来降低产品成本。请记住始终从最低风险的解决方案开始。在有限预算的产品开发方面,这种建议通常是正确的。