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智工运维定位器之ublox_m8030_gps芯片开发(二)

发布时间:2022-12-08 10:53:53点击量:

《接第一部分》

二,硬件

如果之前没有研发过GPS类芯片的硬件工程师可能要好好把文档看懂才动手,尤其是天线部分,后面会专门分析该部分。芯片主体框图如下:

QQ截图20221208110240.jpg

我们项目中原理图如下(天线部分后面提供):

QQ截图20221208105654.jpg

 2.1 电源

上图把几个重要的外围接口都列了出来,芯片有几个供电pin 脚,硬件要怎么供电取决于你的需求,上图的Main Supply实际上有两路电源输入,V_CORE, 和 V_DCDC,几个电源接口有着不同的功能。

V_BCKP,给RTC,RAM供电,用来保存星历,下次定位更快,功耗只有15uA

V_CORE, 搜星时功耗,只有GPS时 33.6 mA, GNSS 43.2 mA

V_DCDC_IN, 只有GPS时18.3 mA, GNSS 24.2mA

VDD_IO,通讯pin 脚供电

详细功能看官方文档,这里只截个图:

QQ截图20221208105526.jpg

 2.2 低功耗

低功耗与性能是个矛盾关系,各人根据需求去配置,例如硬件上有以下做法可以省电:

主电源1.4v供电

使用晶振(Crystal)而不是TCXO

用UART and DDC接口通讯,而不是USB, SPI

不使用SQI Flash(ROM only version)

无源天线(性能很受影响)

在软件上芯片有两种工作模式,连续模式(Continuous Mode)和省电模式(Power Save Mode,PSM)。连续模式就是使用全部性能,全部通道去搜星,星历都下载OK后进入跟踪引擎,这时功耗会降低。

QQ截图20221208105533.jpg

 如上图最开始阶段,芯片(acquisition engine)尽最大能力搜星,星历下载完成,得到初始位置信息后,芯片关闭acquisition engine进入跟踪状态。检测到新的卫星信号又重新启动acquisition engine,也就是上图的fix阶段。很明显,要省电最好是加长”Update Period”的时间,也就是说省电模式只在跟踪阶段。

省电模式又分两种模式:”Cyclic tracking” 和 “ON/OFF operation”,从下图可以看出,只有设置”Update Period”超过10s “ON/OFF operation”才有省电优势,这也会影响到性能,看用户怎么平衡了。

QQ截图20221208105538.jpg

要想进入低功耗模式,要满足以下条件:

不要使用USB接口

有RTC,或者使用"single crystal"模式

使用GPS-only 模式


芯片配置步骤:

1. disable Glonass, 只要GPS。 UBX-CFG-GNSS

2. UBX-CFG-PM2 或者 UBX-CFG-PMS,一般推荐使用Cyclic tracking

3. UBX-CFG-RXM, set the power mode to "1 - Power Save Mode"

2.3 时钟

从前面系统框图可知,这个芯片有两路时钟输入,分别是TCXO(或晶振)和RTC时钟,参考框图如下:

QQ截图20221208105553.jpg

主时钟是一定要有的,而且对搜星性能有影响,温漂要控制在范围内。可以根据需求,成本,性能分析是使用TCXO还是晶振,频率是26 MHz,” HardwareIntegrationManual”文档会有专门的分析,这个文档很细,把外围电路各种器件的参考物料都列了出来,买文档推荐的物料肯定没错了。

主时钟是供信号采集用的,RTC是用来备份和热保持,当芯片主电源意外掉电,芯片热启动时会用到,频率是32.768 kHz。芯片也支持单晶振(Single Crystal)模式,就是主晶振也可以作RTC用,这需要配置芯片。这样V_BCKP电源也会给主晶振供电,主电源掉的时候主晶振依然能工作。这么做能省物料成本,但是增加了功耗。


2.4 IO配置

UBX-M8030芯片有17个IO口,从PIO0到PIO16,都是由VDD_IO供电,而且电平也跟它一致。PIO0到PIO5可以连SQI Flash,SQI Flash的作用是升级芯片固件,保存配置,保存log,保留辅助定位信息。这几个pin脚也可以通过配置作为LDO输出的功能。我们项目没用SQI Flash,也没用LDO输出,所以都悬空了。

QQ截图20221208105633.jpg

QQ截图20221208105640.jpg

 三,天线

 天线部分我们硬件参考了” HardwareIntegrationManual”文档里面的最佳性能电路,如下图:

QQ截图20221208105646.jpg

我们的原理图:

QQ截图20221208105654.jpg

如上图所示,最左边BWGNSCNX16-6W是天线座,U11的MAX2659是一个LNA(Low Noise Amplifier,低噪声放大器)芯片,用来放大信号。U9的SAFEB1G57KE0F00R15是一个声表面波滤波器(SAW),用来滤波,特别是我们的项目中用到了lte cat.1芯片,怕信号会干扰。经过这些简单处理后信号被送到芯片,整个过程如下图:

QQ截图20221208105709.jpg

要求硬件把外围电路处理好,然后重点就是天线的调试了。Ublox有专门文档介绍天线相关知识(GNSS-Antennas_AppNote),建议先看看。其实如果硬件工程师射频相关经验不多的话,最好是找天线厂帮忙,我们就因为这个浪费了一,两星期的时间。GPS的信号很弱,-100dBm以上的,天线比2.4G,433M之类的天线要难搞,还是要请专业人士保险。本人这一块也薄弱,只提供几个建议:

天线分陶瓷天线和FPC天线,增益强度,指向,体积都不一样,看产品需求选用。

天线对PCB有要求,例如净空,铺地,阻抗之类的,最好先让射频工程师评估。

串口输出的报文要能看懂,u-center最好会使用,能了解和推算出信号强弱。

产品外壳也很重要,天线的位置会有关系。

《未完待续》

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