GPS модуль Copernicus компании Trimble для OEM-производителей

Годовой оборот компании Trimble Navigation Ltd составляет $800 млн, число сотрудников — около 2200, офисы компании находятся в 20 странах мира. С 2003 года акции Trimble на бирже NASDAQ выросли в цене в 5 раз. Большое внимание компания уделяет научно-исследовательской работе, что подтверждается 700 патентами и ежегодными инвестициями в $300 млн на НИОКР.

Среди отечественных разработчиков сейчас довольно популярны GPS-приемники Lassen sQ и Lassen iQ, которые отлично зарекомендовали себя во многих реализованных проектах. На рис. 1 приведена фотография отечественного автомобильного навигатора, построенного на базе GPS-приемника Lassen iQ. Более ранние разработки компании — GPS-приемники Lassen SKII и Lassen LP — в основном применяются в продукции, которая была разработана несколько лет назад. Приемники Lassen SKII и Lassen LP удовлетворяют требованиям заказчиков, хорошо покупаются, и поэтому компания Trimble продолжает выпускать их, несмотря на наличие в линейке более совершенных Lassen sQ, Lassen iQ и новинки компании — GPS-модуля для поверхностного монтажа Copernicus.

Рис. 1. Автомобильный навигатор компании «Русские Навигационные Технологии»

Рис. 2. GPS-модуль Copernicus

Миниатюрный GPS-модуль Copernicus (рис. 2) представляет собой законченное устройство, не требующее внешних электронных компонентов. Приемник обладает высокой чувствительностью и быстрым временем обнаружения сигналов спутниковой группировки. При подключении GPS-антенны Copernicus автоматически отслеживает сигналы спутников и выдает координаты, скорость и точное время.

Copernicus обладает особенностями, интересными для потребителей:

• работает как с активными, так и с пассивными антеннами;
• содержит два канала выдачи данных и поддерживает три протокола;
• обеспечивает точную (50 нс) синхронизацию с мировым временем;
• на аппаратном и программном уровне поддерживает режимы пониженного энергопотребления.

Рис. 3. Монтаж модуля на плату

Благодаря своему маленькому размеру и низкой цене новый модуль используется в тех приборах, где ранее применялись наборы микросхем GPS. При монтаже модуль требует минимальной площади печатной платы конечного изделия (рис. 3). При этом время разработки может быть кардинально сокращено благодаря тому, что модуль Copernicus поставляется полностью проверенным. Компания Trimble предоставляет разработчику рекомендации по топологии печатной платы, а также набор разработчика, позволяющий ознакомиться с работой модуля без применения паяльника. GPS-модуль имеет высокие технические параметры и по совокупности характеристик входит в пятерку лучших модулей в мире, что и подтверждают результаты практических испытаний. На рис. 4 приведены результаты статического теста Copernicus в сравнении с двумя конкурирующими модулями, созданными на разных чипсетах с формально близкими параметрами. Copernicus показал в 3 раза меньший разброс показаний. Испытания проводились в абсолютно одинаковых условиях, при хорошей видимости спутников. Синим цветом на рис. 4 отмечено распределение показаний модуля Copernicus.

Рис. 4. Результаты статического теста

На рис. 5 показан результат дорожного теста Copernicus в сложной обстановке современного мегаполиса (испытания проводились в Корее). Одновременно тестировалось два GPS-приемника — Copernicus и один из наиболее именитых GPS-брендов. Результаты Copernicus показаны на правой диаграмме. Из рис. 5 видно, что Copernicus ни в чем не уступает своему конкуренту и при этом заметно выигрывает по цене.

Рис. 5. Результаты дорожного теста

Технические данные GPS-приемника Copernicus приведены в таблице 1.

Приемник Copernicus по умолчанию работает с двунаправленным протоколом TSIP на последовательном порте 1, на выход порта 2 подаются сообщения протокола NMEA 0183 (табл. 2).

Приемник рассчитан на работу как с пассивными, так и с активными антеннами. При использовании пассивных антенн потери сигнала от антенны до входа модуля не должны превышать 2 дБ. На рис. 6 приведена схема образцовой платы Copernicus RFB. Часть схемы, обведенная пунктирной линией, не является обязательной — это схема контроля и защиты от обрыва или короткого замыкания в антенне. Информация о нештатной ситуации с антенной будет выдаваться устройству, принимающему сообщения о координатах. В минимальном варианте схема соединений очень проста и не содержит внешних компонентов. Для работы модуля достаточно подключить антенну и подать питание. При работе приемника с пассивной антенной применяется внутренний малошумящий усилитель модуля и схема автоматической регулировки усиления. При использовании активной антенны внешний малошумящий усилитель должен иметь достаточный запас усиления, превышающий потери в линии передачи. Уровень шума модуля не превышает 3 дБ при комнатной температуре. Внешний малошумящий усилитель должен иметь собственный уровень шума не более 2 дБ. Компания Trimble рекомендует внимательно относиться к выбору поставщика GPS-антенн. Эксперименты потребителей обнаружили, что не все антенны, имеющие единые параметры усиления (27 дБ), показывают одинаковую реальную эффективность.

Рис. 6. Схема включения с контролем состояния антенны

Расположение выводов модуля показано на рис. 7, а нумерация и назначение выводов модуля приведены в таблице 3.

Рис. 7. Расположение выводов модуля

GPS-приемник Copernicus может работать в нескольких режимах:

1. Рабочий режим (Run Mode). Нормальный рабочий режим слежения за спутниками и выдача информации о координатах, скорости и текущем времени.
2. Дежурный режим (Stanby Mode). В этом режиме сохраняются данные в памяти RAM, и продолжает работать таймер реального времени. Все остальные узлы не работают, модуль не принимает сигналы спутников и не выдает никакой информации. Благодаря хранению последних данных о местоположении и данных альманаха и эфемерид, приемник обеспечивает более быстрое время старта. В дежурном режиме потребление энергии очень мало и составляет менее 10 мкА.
3. Режим монитора (Monitor Mode). Режим монитора используется для обновления внутреннего программного обеспечения модуля, которое хранится во Flash-памяти.
   
   

   Рис. 8. Образцовая плата

Переход из дежурного режима в рабочий режим может выполняться двумя способами — с помощью вывода Xstandby или с помощью команд, передаваемых по последовательному порту.

При разработке конечного изделия с использованием GPS-модуля Copernicus следует обратить особое внимание на линию передачи сигнала на высокочастотный вход модуля. Неудачная разводка печатной платы может значительно снизить показатели приемника. Компания Trimble приводит в документации необходимую информацию по разработке микрополосковых линий передачи и предлагает разработчикам проверенную топологию печатной платы. Для оценки параметров модуля выпускается образцовая плата (reference board). На этой плате (рис. 8) распаян модуль и необходимые разъемы для удобного соединения с устройством разработчика.

Для быстрой оценки модуля и разработки конечных изделий компания выпускает стартовый набор разработчика. В состав набора входит модуль, смонтированный на материнской плате и помещенный в металлическую коробку (рис. 9), блок питания, антенна и соединительный кабель USB для подключения к ПК. Программное обеспечение (рис. 10), входящее в состав набора, позволяет не только получать и отображать данные в удобном виде, но и конфигурировать модуль, а при необходимости обновлять внутреннее микропрограммное обеспечение.

Рис. 9. Стартовый набор разработчика

Рис. 10. Внешний вид CD из комплекта разработчика

Описание поддерживаемых протоколов

GPS-модули компании Trimble поддерживают несколько протоколов, описания которых приведены ниже.

TSIP (Trimble Standard Interface Protocol) — стандартный интерфейсный протокол компании Trimble для GPS-приемников. Это двунаправленный протокол с более чем 20 командами, основанный на пересылке бинарных пакетов. Протокол предоставляет разработчику широкие возможности по управлению модулем.

TAIP (Trimble ASCII Interface Protocol) — текстовый (ASCII) интерфейсный протокол компании Trimble для GPS-приемников. Это двунаправленный протокол ориентирован на автомобильные применения, позволяет конфигурировать GPS-модуль для выдачи различных информационных данных по запросу или периодически. Для надежной связи протокол выборочно поддерживает контрольные суммы для каждого сообщения. Для включения протокола TAIP необходимо подать специальную команду.

NMEA 0183 (National Marine Electronics Association) — стандартный для GPS-приемников разных производителей протокол выдачи информации. Данный протокол поддерживается Национальной ассоциацией морской электроники и является отраслевым стандартом де-факто в области GPS-навигации. Протокол NMEA не предназначен для конфигурирования GPS-приемников Trimble. Этот текстовый протокол имеет несколько типов выдаваемых сообщений, причем для многих случаев достаточно использовать лишь некоторые из них.

Получение информации о координатах

После первой подачи питания GPS-приемник начинает искать сигналы спутников, не имея никакой предварительной информации об их местонахождении. Эта процедура называется «холодным стартом». Для определения координат необходимо принимать сигналы как минимум от 4 спутников. Несмотря на то, что в течение двух первых минут приемник начинает выдавать свои координаты, ему требуется еще примерно 15 минут для получения альманаха, то есть набора данных обо всех спутниках. Данные альманаха передаются спутниками «порциями», в каждом 30-секундном информационном фрейме. Каждый фрейм содержит информацию об орбите конкретного спутника и две страницы из 50-страничного альманаха. Таким образом, альманах передается за 12,5 минуты. Процесс накопления данных альманаха не должен прерываться. Когда GPS-приемник имеет эти данные и хранит их в памяти, время первого определения координат (TFF — time to fi rst fi x) для модуля Copernicus обычно не превышает 39 секунд.

Альманах содержит информацию о каждом спутнике группировки, данные по состоянию ионосферы и специальные сообщения. Альманах обновляется каждую неделю и актуален в течение нескольких месяцев. Эфемериды содержат детальную информацию о текущих параметрах конкретного спутника. Данные эфемерид изменяются ежечасно, но могут быть использованы до 4 часов.

GPS-приемник выполняет процедуру «теплого старта», если модуль был выключен более одного часа, но благодаря резервному питанию данные о последних координатах, альманахе и текущем времени сохраняются в памяти. Наличие этих сведений сокращает время до первого определения координат. «Горячий старт» происходит в тех случаях, когда приемник был выключен менее 60 минут и сохранил информацию об альманахе, времени и координатах. Благодаря тому, что данные эфемерид еще актуальны, время определения координат GPS-приемником Copernicus сокращается до 9 секунд.

Получение информации о точном времени

Во многих случаях необходимо иметь информацию о мировом времени или выдавать сигнал для точной временной синхронизации оборудования, установленного в разных точках земного шара. GPS-приемник Copernicus может с успехом применяться в подобных приложениях. Наличие на спутниках прецизионных атомных часов позволяет GPS-приемнику синхронизировать свой внутренний генератор с очень высокой точностью. Модуль Copernicus выдает (выход PPS) ежесекундные импульсы синхронизации положительной полярности с точностью ±50 нс относительно всеобщего скоординированного времени UTC (Universal Coordinated Time).