Przegląd układów scalonych GPS
Mateusz Smoleń
Piotr Wychowański

1. Wstęp

Istnieje wiele producentów układów scalonych GPS, których urządzenia różnią się od siebie zarówno budową, możliwościami, a także funkcjami pełniącymi w układach elektronicznych. W skutek czego występują różne kryteria klasyfikacji scalonych układów GPS, którymi też posługują się producenci. Podział układów GPS na rodziny i pod grupy ułatwia wybór właściwego urządzenia w sposób łatwy i szybki. Układy scalone najogólniej można sklasyfikować na serie, a te z kolei na poszczególne modele. O możliwościach i przeznaczeniu decydują ich wymagania elektryczne, funkcje oprogramowania i inne parametry techniczne charakteryzujące moduły GPS.

Jedną ze znaczących firm zajmującą się produkcją scalonych układów GPS jest Origin. Produkowane przez Origin urządzenia posiadają zintegrowany moduł GPS z wbudowaną anteną. Moduły te charakteryzuje możliwość wyśledzenia skrajnie słabych sygnałów wraz z niezwykłą dokładnością i bardzo szybkim ustaleniem pozycji nawet przy słabym lub sygnałem z zakłóceniami powodowanymi przez zabudowania, wysokie drzewa, pomieszczenia zamknięte czy ekstremalne temperatury.

1. Oznaczenia scalonych układów GPS

Obecnie, najpopularniejsze scalone układy GPS firmy Origin podzielone są na 5 rodzin. 11xx, 13xx, 14xx, 20xx i 447xx, różniące się wymiarami, interfejsem, osiągami, specyfikacją sprzętową oraz dodatkowymi cechami . Pełna nazwa tego typu produktu zawiera takie informacje jak nazwa rodziny, serii, oprogramowanie układu oraz sposób montażu. Na rysunku 2.1 przedstawiono przykładowe oznaczenie jednego z układu rodziny 11 grupy 00, z konfiguracją 1 (01) i montażem typu Tape & Reel. Litera R informuje o tym iż jest to wersja standardowa.

Rys.2.1. Oznaczenie scalonych układów GPS firmy Origin [1].

3. Opis poszczególnych układów

Wszelkie z prezentowanych serii układów GPS są wyposażone w wbudowaną anteną oraz są adresowane do odbiorców dla których osiągi, wysoki poziom integracji, zużycie energii oraz podatność układów do pracy w trudnych warunkach są sprawami istotnymi. OriginGPS poprawił architekturę klasycznych odbiorników GPS przez zastosowanie anteny z najwyższym paśmie wydajności oraz filtrowania.

1. ORG-11XX

   1. Struktura

Rys.3.1.1 Struktura ORG-11XX [1]

- Microstrip Patch Antenna – antena gromadzi sygnały 1575.42 MHZ oraz blokuje częstotliwości z pasma L1

- LNA – wzmacnia sygnał do odpowiedniego progu.

- Band-pass SAW Filter - eliminuje oddziaływanie sygnałów spoza pasma mogące pogorszyć osiągi odbiornika.

Rys.3.1.2. GNS4540 IC [1]

- GNS4540 składa się z sekcji RF i Baseband

GPS RF obejmuje Mixer, filtr IF, VCO (voltage-contorlled oscillator)

GPS Baseband obejmuje wbudowany DSP (Digital Siganl Processing) dla gromadzenia I śledzenia, ROM dla DSP, UART interface, architektura taktowania, czas i kontrola.

- TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) – kontroluje proces konwersji dla bloku RFIC.

- Power Management – dostarcza regulowane napięcie, włącza/wyłącza sekwencje zgodnie z wymogami innych obwodów.

1. Opcje anteny

ORG-1100 – nisko profilowy moduł anteny GPS idealny dla przenośnych aplikacji elektroniki z ograniczeniem wysokości.

ORG-1115 – standardowy moduł Seri ORG-13XX idealny dla standardowego pozycjonowania, nawigacji i śledzenia.

1. Specyfikacja elektryczna

Tab.3.1.1 Specyfikacja elektryczna [1]

1. Tryby zarządzania energią

ORG-11XX posiadają 4 główne tryby zarządzania energią, które załączane są przez wewnętrzna maszynę stanową i kontrolowane przez oprogramowanie znajdujące się na komputerze zewnętrznym.

Normal Mode – układ jest aktywny jako odbiornik GPS i automatycznie śledzi satelity. GNS4540 IC automatycznie załącza/wyłącza zegar do przystosowania zużycia mocy dla parametrów środowiska pracy takich jak siła sygnału, dynamika obiektu itd.

Sleep Mode – moduł znajduje sie w trybie uśpienia poprzez polecenie z hosta lub przez pobyt w bezczynności przez 30 sekund. Budzi się z tego stanu poprzez polecenie z hosta albo wewnętrznej funkcji budzenia. W trybie uśpienia GNS4540 RF jest w trybie niskiego poboru mocy a zegary podstawowe są wyłączone. Czas lokalny jest utrzymywany przez zegar z bloku RTC. Tryb ten trwa maksymalnie 60 sekund, po tym czasie moduł automatycznie przechodzi od trybu Coma Mode.

Coma Mode – moduł przechodzi do trybu Coma Mode przez komendę z oprogramowania nawigacyjnego i budzi się albo przez komunikaty z hosta albo z wewnętrznej funkcji budzenia. Stan ten jest utrzymywany przez maksymalny czas do 19 godzin (opcjonalnie 49 dni). Wszystkie zegary z wyjątkiem RTC są niedostępne. RF jest w trybie oszczędzania energii. Czas lokalny jest utrzymywany za pomocą bloku RTC. Jeżeli RTC jest niedostępny moduł przełącza się do trybu Deep Coma Mode. Po wyjściu z trybu Coma Mode poprzednio śledzone satelity będą ponownie szybko śledzone podczas gdy satelity informacje o pozycji są dostępne.

Deep Coma Mode – moduł przechodzi w ten tryb przez komendę z oprogramowania nawigacyjnego. W tym trybie wszystkie zegary oraz RF są niedostępne. Stan ten może być użyty gdy funkcje GPS są nie wymagane przez system. Jedynym sposobem do wyjścia z tego stanu jest reset.

1. Interface

Tab.3.1.2. Przyporządkowanie pinów [1]

Podłączenia

Zasilanie - moduł wymaga jedynie jednego zasilania mogącego być podłączonego wprost z baterii w związku z wewnętrznym regulatorem.

Masa - wszelkie masy powinny być podłączone do głównej przez najkrótszą drogę.

Podstawowy UART Interface – RxDA i TxDA to piny odpowiedzialne za odbiór i transmisje do hosta. Wysoki stan TxDA jest ustawiany za pomocą VCC.

Drugi UART Interface – RxDB i TxDB są to piny do odbioru i transmisji przeznaczone do celów testowych. Nie są one podłączone.

nReset Input – Power-On-Reset jest generowanie wewnętrznie w module. Opcjonalnie reset jest dostępny przez pin nReset. Reset należy użyć prze co najmniej 1us.

1PPS Output – impuls na sekundę, wyjście dostarcza impulsowy sygnał do celów synchronizacji. Wyjście jest niedostępne i kontrolowane przez oprogramowania nawigacyjne hosta. Długość impulsu to 1us, stan wysoki jest ustawiony przez VCC. Wyjście nie podłączone jeżeli nie jest w użyciu.

GPIO – moduł posiada 4 niezależne piny. Te piny są skonfigurowane jako wyjścia lub wejścia i obsługiwane przez oprogramowanie nawigacyjne z hosta. Stan wysoki jest ustawiony przez VCC. Nie podłączone jeżeli nie jest w użyciu.

BOOTSEL Input – służy do wyboru źródła zewnętrznego zegara i jest używany do celów testowych. Nie jest podłączony.

1V8 Output – wewnętrznie generowane wyjście źródła zasilania. Nie jest podłączony.

1. ORG – 13XX

   1. Architektura

Rys.3.2.1. Architektura ORG – 13XX [2]

Architektura modułu ORG – 13XX w stosunku do ORG - 11XX różnie się przez zastosowanie bloku GSC3LTf IC. Blok ten zapewnia następujące cechy:

- odbiornik RF

- rdzeń ARM7TDMI-S

- 4 Mbit pamięć flaszowa programu

- SiRFstarll-LT GPS DSP rdzeń

- ARM RAM z cache

- DSP RAM

- Kontrola przerwań

- RTC Block

- UART Block

- SPI Block

- 4 zintegrowane regulatory napięcia

- POR (Power-On-Reset)

1. Opcje anteny

ORG – 1300 – nisko profilowy moduł anteny GPS idealny dla przenośnych aplikacji elektroniki z ograniczeniem wysokości.

- Przenośna nawigacja, wielofunkcyjne urządzenie

- Urządzenie do pomiaru czasu

- System śledzenia ludzi i zwierząt

- Micro roboty

ORG – 1315 – standardowa wersja anteny GPS z serii ORG13XX. Idealny do aplikacji standardowego pozycjonowania, nawigacji i śledzenia.

- System śledzenia ludzi i zwierząt

- Akcesoria sportowe i rekreacyjne

- Śledzenie pojazdu

- System nawigacyjny pojazdu

- System ratunkowy

- Nawigacja na morzu

ORG – 1318 – zwiększona czułość w stosunku do wersji anteny dla modelu ORG – 1300. Stosowany do aplikacji gdzie widoczność satelity jest ograniczona

- Przemysłowe systemy nawigacyjne

- Systemy bezpieczeństwa w motoryzacji

- Systemy telemetryczne

- Śledzenia zasobów SKU (Stock Keeping Unit – identyfikator do zarządzania towarem).

1. Specyfikacja elektryczna

Tab.3.2.1 Specyfikacja elektryczna [2]

1. Tryby zarządzania energią

ORG – 13XX posiada trzy główne tryby zarządzania anergią i są one kontrolowane przez wewnętrzną maszynę stanową. Te tryby wprowadzają różny poziom mocy oraz osiągów

Normal Mode - moduł jest całkowicie zasilany i automatycznie namierza i śledzi satelity GPS.

Power Saving Mode

Adaptive Tricke Power – jest najlepszym rozwiązaniem dla aplikacji wymagających stale nawigacji, niskie zużycie energii oraz możliwość śledzenia słabych sygnałów. W trybie tym moduł ORG 13XX aby zoptymalizować niskie zużycie energii. jest przełączany między trzema stanami.

- Full Power State – Stan początkowy modułu ORG - 13XX. Moduł pozostaje całkowicie zasilany do momentu znalezienia pozycji i oszacowania jej pewności. Podczas ustalania współrzędnych obiektu zużycie energii jest większe.

- CPU Only State - w tym stanie RF I DSP są częściowo wyłączone. Stan ten jest utrzymywany gdy współrzędne obiektu zostały wykryte ale rozwiązanie nawigacji nadal jest obliczane.

- Standby State – stan w którym RF i DSP są wyłączona oraz zegar jest zatrzymany.

Push-toFix – jest najlepszym rozwiązanie dla aplikacji rzadko wymagających rozwiązania nawigacyjnego, zoptymalizowanego czasu pracy baterii. W tym trybie moduł jest głownie w stanie hibernacji. Budzi się co ściśle określony czas by odświeżyć informacje o pozycji i czasie. Czas odświeżania jest domyślnie ustawiony jako 30 minut, ale można go regulować w zakresie od 10 sekund do 2 godzin. Odbiornik pracuje na pełnej mocy do momentu wyliczenia rozwiązania nawigacji.

- Hibernate State – w tym stanie RF, DSP i podstawowe sekcje są całkowicie wyłączone pozostawiając jeydnei RTC oraz podtrzymanie z baterii.

1. Interface

Tab.3.3.2. Przyporządkowanie padów w ORG – 13XX [2]

Podłączenia

Zasilanie - moduł wymaga jedynie jednego zasilania mogącego być podłączonego wprost z baterii w związku z wewnętrznym regulatorem. Zalecane jest stałe utrzymywanie zasilania w celu utrzymania nieulotnego RTC i aktywnej pamięci RAM dla szybszego TTFF (time to first fix). Napięcie zasilania Vcc powinno znajdować się w przedziale 3.3 – 5.5V.

Masa - wszelkie masy powinny być podłączone do głównej przez najkrótszą drogę.

ON OFF Control Input – używany do przełączenia odbiornika pomiędzy normalnym stanem oraz stanem hibernacji oraz do generowania przerwać w trybie Push to Fix. Przerwanie jest generowane przez sygnał prostokątny o długości od 62us do 1s. Sygnał wejściowy kompatybilny z 3.3V

nReset Input – Power-On-Reset jest generowanie wewnętrznie w module. Opcjonalnie reset jest dostępny przez pin nReset. Reset należy użyć prze co najmniej 1us.

COMM SEL – moduł ORG13XX jest w stanie komunikować się przez UART oraz SPI. UART jest domyślym interfejsem komunikacyjnym. Aby wybrać komunikacje przez SPI, rezystor o wartości 0 Ω należy podłączyć do tego pada.

UART – Urządzenie obsługuje full duplex 8-N-1 UART bez kontroli przepływu. Domyślnym protokołem jest NMEA, domyślną konfigurację prędkości transmisji oraz protokołów można zmienić przez polecenia NMEA lub SiR. Poziomy I/O są zdefiniowany przez zastosowanie odpowiedniego napięcia na pad VIO-EXT.

SPI – Jest to alternatywa do komunikacji w stosunku do UART. 4 podstawowe pady to SDI, SDO, nSE, SCK. I/O SA kompatybilne z 1.8V. Częstotliwość zegara nie może być większa niż 7 MHz. Podstawowe cechy interfejsu przez SPI to:

TX i RX mają niezależne 1024 bajty buforów FIFO (First In, First Out).

RX i TX mają niezależne 2 bajty określające bezczynność wzorca.

Bufory FIFO generują przerwania.

SPI wykrywa błędy synchronizacji i może być zresetowany przez oprogramowanie

ECLK Input – ECLK i opcjonalnie dostępny dla wejścia zewnętrznego zegara z SLC. Wejście jest kompatybilne z CMOS 1.8V

TSYNC Input – Opcjonalne wejście TSYNC. Sygnał wejściowy kompatybilny z CMOS 1.8V

1PPS Output – wprowadza sygnał impulsowy w celu pomiaru czasu. Długość impulsu to 1us. Wyjście kompatybilne z CMOS 1.8V

1. ORG – 14XX

Moduły z tej serii dodatkowo podzielone są na 3 serie. Podstawową, Standardową oraz Premium

1. Architektura

Rys.3.3.1. Architektura ORG-14XX [3]

- Microstrip Patch Antenna – antena gromadzi sygnały 1575.42 MHZ oraz blokuje częstotliwości z pasma L1

- ESD Protection Device – wprowadza ochronę obwodu modułu przed wysokim napięciem na wbudowaną antenę.

- Band-pass SAW Filter - eliminuje oddziaływanie sygnałów spoza pasma mogące pogorszyć osiągi odbiornika.

- LNA – wzmacnia sygnał do odpowiedniego progu.

- DC-DC Voltagge Regulator – zapewnie regulowane napięcie zasilania procesora GPS w szerokim zakresie napięcia wejściowego.

- TCXO (Temperature Compensated Crystal Oscillator) – kontroluje proces konwersji dla bloku RFIC.

- RTC (Real Time Clock) crystal – jest potrzebny do utrzymania zdolności szybkiego startu.

- Power Management – dostarcza regulowane napięcie, włącza/wyłącza sekwencje zgodnie z wymogami innych obwodów.

- POR (Power-ON Reset) Generator

- EEPROM – 1Mbit urządzenie EEPROM dostarcza lokalnej pamięci.

- RF Shield – Pozwala na uniknięcie zakłóceń zewnętrznych. Dodatkowo blokuje wewnętrzną wysoką emisje częstotliwości.

-GSD4e IC

Rys. 3.3.2. GSD4e IC [3]

Układ GSD4e IC wprowadza wiele cech z których najważniejsze to możliwość komunikacji przez UART/SPI/I2C, wprowadzenie mikroprocesora ARM7, pamięć ROM i RAM, zastosowanie jądra GPS DSP dające ponad dwukrotnie większą szybkość zegara oraz ponad dwukrotną pojemność RAM w stosunku do rdzenia DSP.

1. Opcje anteny

ORG – 1400 – nisko profilowy moduł anteny GPS idealny dla przenośnych aplikacji elektroniki z odpowiednią widocznością.

ORG – 1415 – standardowa wersja anteny GPS z serii ORG14XX. Idealny do aplikacji standardowego pozycjonowania, nawigacji i śledzenia.

ORG – 1418 – zwiększona czułość w stosunku do wersji anteny dla modelu ORG – 1415. Stosowany do aplikacji gdzie widoczność satelity jest ograniczona

Systemy zastosowania poszczególnych anten zostały wymieniony w punkcie 3.2.2

1. Specyfikacja elektryczna

Tab.4.3.1. Specyfikacja elektryczna standardowej oraz wersji premium ORG 14XX [3]

Tab.4.3.2. Specyfikacja elektryczna podstawowej wersji ORG 14XX [3]

1. Tryby zarządzania energią

Moduł ORG - 14XX posiada 3 główne tryby oszczędzania energii. Są to:

Adaptive Tricke Power (opis pkt. 3.2.3.)

Push-toFix (opis pkt. 3.2.3.)

Advanced Power Management – jest zaprojektowany by dać użytkownikowi więcej opcji do konfiguracji zarządzaniem energii. Tryb ten pozwala na oszczędność energii przy zapewnieniu jakości rozwiązania przy słabnącym sygnale. Jest dostępny wybór pomiędzy oszczędnością energii a odstępem pomiędzy raportami. Użytkownik może wybrać Duty Cycle Priority dla zaoszczędzenia energii oraz TBF (Time Between Fixed) Priority ze zdefiniowanym lub nie maksymalnym błędem horyzontalnym. TBF można dobrać pomiędzy 10 a 180 sec, Power Duty Cycle pomiędzy 5 a 100%. Maksymalny błąd jest konfigurowany pomiędzy 1 a 160m. W trybie tym moduł jest inteligentnie przełączany pomiędzy Full Power i stanem hibernacji.

SiR Aware Micro Power Mode – W tym trybie odbiornik determinuje moc poszukiwania sygnału oraz jego częstość, wiec obornik jest w stanie wykonać hot start na żądanie. Odbiornik jest skonfigurowany tak by budził się na 18-24sec (domyślnie 2 razy na dobę), by zdobyć informację o pozycji. Dodatkowo moduł budzi się na okres 250ms co 1 do 10 minut aby dokonać aktualizacji nawigacji i kalibracji czasu. Resztę czasu moduł przebywa w stanie hibernacji.

1. Interfejs

Tab.4.3.3. Przyporządkowanie padów w ORG – 14XX [3]

1. Seria 20xx

   1. Charakterystyka

Układ scalony odbiornika GPS z serii ORG-20xx z wbudowaną anteną został zaprojektowany by spełnić wymagania takie jak: wysoki stopień scalenia, moc oraz elastyczność zastosowania. Specyficzna mikro budowa ze zintegrowaną anteną i technologią bez wpływu zakłóceń (Noise-Free Zones) oferuje wysokiej wrażliwości GPS, pracujący niezależnie lub w zespołach, które będzie wspomagał.

Moduł z serii ORG-20xx może śledzić nawet bardzo słabe sygnały (-160dBm) i gwarantuje niezwykłą dokładność, a także bardzo szybką ocenę położenia nawet przy słabych lub zakłócanych sygnałach GPS. Sprawdza się w obszarach miejskich, na zewnątrz i wewnątrz budynku, jak również w terenie zalesionym. Wykazuje także odporność na wpływ ekstremalnych temperatur.

Moduł z serii ORG-20xx cechuje zaawansowana technologia miniaturyzacji. Całkowicie zintegrowany układ GPS zapewnienia niewielkie rozmiary dzięki czemu znajduje zastosowanie w układach wymagających integrację i niskie zapotrzebowanie na energię.

Antena zaprojektowana do działania w pomieszczeniach budynków, która posiada szerokie pasmo działania i filtrację sygnałów zewnętrznych dzięki czemu osiąga wysoką selektywność odbioru sygnału. Ponadto moduł z tej serii posiada wbudowane wewnętrzne osłanianie, które zapewnia modułowi odporność na zakłócenia i oczekiwaną wrażliwość.

1. Budowa

Rys. Struktura ORG 20xx

LNA (Low Noise Amplifier) wzmacnia sygnał GPS, by móc wejść w pasmo odbieralnego łańcucha sygnału. Kształt sygnału zostaje tak zoptymalizowany, aby dawał maksymalną czułość urządzenia.

SAW filtr eliminuje oddziaływania sygnałów z poza pasma, które mogą zakłócać działanie odbiornika.

1. Specyfikacja elektryczna

Nie przekroczenie zalecanych wartości elektrycznych zapewnia prawidłową pracę urządzenia, a praca poza wyznaczonymi zakresami może skutkować uszkodzeniem urządzenia.

Najwłaściwszą pracę układu gwarantuje pod stosowanie się na zalecane (typowe) wartości zasilania.

4. Oprogramowanie

Funkcje przerwań wykonywane są w czasie rzeczywistym przez wewnętrzne oprogramowanie DSP. Oprogramowanie to spełnia takie funkcje jak:

• umożliwienie współpracy podstawowych części układu GPS,

• szuka satelity niezależnie albo będzie używał wskazanej,

• kiedy satelita zostaje namierzony następuje transmisja pasma sygnału z satelitą,

• podczas śledzenia satelity monitoruje sygnały ważniejsze i je udrażnia,

• w wymaganym tempie uaktualnienia (typowo 1Hz) przesyła pomiary satelity.

  1. Seria447x

Starannie dobrane komponenty układu doprowadziły do dużej dokładności, wrażliwości, stabilności, szybkości oraz niezawodności nawigacji. Działa w wyjątkowo stabilnie trudnych i często zmieniających się warunkach środowiskowych.

Rys. Struktura ORG447x

ORG-4472 to standardowy moduł serii ORG-447X idealny do standardowego pozycjonowania, nawigowania i śledzenia także w zamkniętych pomieszczeniach.

ORG-4471 idealny do przenośnych aplikacji elektroniki z ograniczeniem wysokości.

Specyfikacja elektryczna

Czułość odbioru sygnału:

	Siła sygnału
Śledzenie	-163dBm
Nawigacja	-160dBm
Zimny start	-148dBm

Moduł z serii ORG-447X posiada 3 typy portów przyłączenia: UART, SPI, I²C.

Interfejs UART zapewnia asynchroniczną komunikację szeregową. Składa się z jest 4 pinowego portu:

• Pin TX przeznaczony do komunikacji danych z GPS,

• RX używany jest do kontroli odbioru pasma sygnału,

• nCTS i nRTS są opcjonalnie używane do sprzętowej komunikacji układu i są sygnałami sterującymi.

Interfejs SPI jest podległym trybem, który może być użyty jako alternatywa interfejsu komunikacyjnego UART. Nie należy korzystać z SPI jeśli urządzenie go nie obsługuje.

SPI wykonuje bit za bitem nadawczym i otrzymującym równocześnie gdy pin nSE jest zapewniony i pin SCK jest aktywny. Aby właściwie połączyć się z interfejsem SPI protokół musi wykonać potwierdzenie specjalnym trybem SPI.

Interfejs szeregowy I²C z działaniem jako ‘master’ komunikacji naśladuje działanie portu UART, gdzie zarówno ORG-447X jak też host może niezależnie i dowolnie transmitować. Transmisja o maksymalnej prędkości przesyłania danych szyną I²C wynosi 400 kbps. W przypadku jednoczesnego rozpoczęcia nadawania przez kilka urządzeń, mechanizm nie dopuszcza do utraty, ani przekłamania przesyłanych danych.

3. Literatura

1. ORG11XX Series Datasheet

2. ORG13XX Series Datasheet

3. ORG14XX Series Datasheet

4. ORG20XX Series Datasheet

5. ORG447XX Series Datasheet