1. Огляд мікросхем навігаційних приймачів Teseo II і Teseo III
2. Teseo-LIV3F - перший навігаційний модуль від STMicroelectronics
3. Прискорене виявлення супутникових сигналів в Teseo-LIV3F (Assisted GNSS)
4. Комунікаційні інтерфейси Teseo-LIV3F
5. Підключення антени до Teseo-LIV3F
6. Харчування і споживання Teseo-LIV3F
7. Референсна схема включення Teseo-LIV3F
8. Додаткові програмні функції Teseo-LIV3F
9. Засоби розробки і налагодження для Teseo-LIV3F
10. Висновок
11. література
12. Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics, відома своїми мікросхемами супутникових приймачів Teseo II і Teseo III, анонсувала випуск першого власного навігаційного модуля Teseo-LIV3F. Модуль буде підтримувати всі основні глобальні системи: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS.

Супутникова навігація застосовується в самих різних областях: морський / повітряної / сухопутної навігації, логістики транспорту і вантажів; системах екстреного реагування (ЕРА ГЛОНАСС, eCall), в персональної навігації; системах безпеки (протиугінних маячки), спорті (на ралі-рейдах) і так далі.
Глобальні навігаційні супутникові системи ГНСС (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) представляють собою складні комплекси, які включають не тільки орбітальне угруповання супутників, але й наземне встаткування. Значення супутникової навігації настільки високо, що багато країн створюють власні національні системи: ГЛОНАСС (Росія), GPS (США), Galileo (Європа), Beidou (Китай), QZSS (Японія) і деякі інші. Разом з тим дана задача виявляється надзвичайно складною, тому на даний момент тільки ГЛОНАСС і GPS можна вважати закінченими рішеннями, які покривають всю поверхню Землі.
Для отримання даних про місцезнаходження об'єкта необхідний навігатор, основним елементом якого є приймач (ресивер). Вимірюючи затримку поширення сигналів, навігатор може оцінити відстань до передавального супутника. Для точного розрахунку необхідно знати положення самих супутників. Інформація про орбіті супутника міститься в особливій таблиці - альманасі.
Альманах передається в сигналах кожного з супутників. Також його можна отримати від наземних систем, в тому числі - за допомогою спеціальних сервісів мережі Інтернет. Якщо навігатор довгий час перебував у вимкненому стані, то перед тим як почати розраховувати координати, він повинен завантажити актуальний альманах.
Випробування показали, що спільне використання даних, отриманих від декількох ГНСС, наприклад, від ГЛОНАСС і GPS, дозволяє істотно підвищити точність позиціонування. Ще більшої точності дозволяють добиватися системи диференціальної корекції, наприклад СДКМ (ГЛОНАСС) і WAAS (GPS).
Компанія STMicroelectronics є одним з лідерів в області виробництва навігаційних приймачів. Інтегральні мікросхеми приймачів сімейств Teseo II і Teseo III, вироблені компанією STMicroelectronics, здатні працювати з більшістю навігаційних систем: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, QZSS, Beidou (тільки Teseo III).
Нещодавно STMicroelectronics анонсував запуск закінченого навігаційного модуля Teseo-LIV3F , Побудованого на базі Teseo III.

Огляд мікросхем навігаційних приймачів Teseo II і Teseo III

Компанія STMicroelectronics випускає два сімейства мікросхем супутникових приймачів - Teseo II і Teseo III (рисунок 1). Приймачі Teseo II здатні працювати з ГЛОНАСС, GPS, Galileo, QZSS. Представники сімейства Teseo III відрізняються додатковою підтримкою китайської системи Beidou і меншим рівнем споживання.

Мал. 1. Номенклатура приймачів Teseo виробництва STMicroelectronics

Лінійка приймачів Teseo об'єднує півтора десятка моделей з різними особливостями (таблиця 1):

• для бюджетних програм;
• з вбудованим ВЧ-трактом;
• з вбудованою пам'яттю;
• з вбудованим обчислювальним ядром ARM9;
• для автомобільних додатків.

Таблиця 1. Характеристики приймачів Teseo від STMicroelectronics

Найменування Навігація Корпус Число каналів tраб, ° C Опис STA8088CWG GPS / Galileo / Glonass / QZSS WLCSP 32 -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом STA8088EXG GPS / Galileo / Glonass / QZSS TFBGA -40 ... 85 Навігаційний приймач з потужним обчислювальним ядром (ARM9) STA8088FG GPS / Galileo / Glonass / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом і Flash STA8088GA GPS / Galileo / Glonass / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач для автомобільних додатків STA8089FG GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 48 -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом і Flash STA8089FGA GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом і Flash STA8089G GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач STA8089GA GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач для автомобільних додатків STA8089GAT GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 105 Навігаційний приймач для автомобільних додатків STA8090EXG GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS TFBGA -40 ... 85 Навігаційний приймач з потужним обчислювальним ядром (ARM9) STA8090EXGA GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS TFBGA -40 ... 85 Навігаційний приймач для автомобільних додатків з потужним обчислювальним ядром (ARM9) STA8090FG GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS TFBGA -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом і Flash STA8090GA GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 85 Навігаційний приймач для автомобільних додатків STA8090GAT GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS VFQFPN 56 -40 ... 105 Навігаційний приймач для автомобільних додатків STA8090WG GPS / Galileo / Glonass / Beidou / QZSS WLCSP -40 ... 85 Навігаційний приймач з вбудованим ВЧ-трактом

Для створення закінченого навігатора на базі чіпсета в ряді випадків доведеться додати на плату системи харчування і тактирования, пам'ять, ВЧ-тракт та інше. Інженерам доводиться добре попрацювати, щоб реалізувати всі ці елементи «в залізі». У ряді випадків, щоб спростити собі життя, логічно скористатися готовими навігаційними модулями.

Навігаційні модулі дозволяють істотно скоротити час на розробку обладнання, так як в їх склад, окрім самої мікросхеми приймача, включені і інші елементи, перераховані вище. Прикладом такого модуля є Teseo-LIV3F, який побудований на базі мікросхеми приймача Teseo III.

Teseo-LIV3F - перший навігаційний модуль від STMicroelectronics

Мал. 2. Зовнішній вигляд GPS-модуля Teseo-LIV3F

Незважаючи на великий досвід розробки і виробництва мікросхем ГНСС для прийому супутникових сигналів, Teseo-LIV3F став першим закінченим навігаційним модулем виробництва STMicroelectronics (малюнок 2).

Teseo-LIV3F - простий у використанні навігаційний супутниковий модуль, побудований на базі Teseo III. Він здатний працювати з різними супутниковими системами, в тому числі - ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS (таблиця 2).
До складу Teseo-LIV3F входить потужний процесорний ядро ​​ARM9, 32 кбайт ОЗУ, 16 Мбіт Flash, система харчування (SMPS і BKLDO), система тактирования (термокомпенсірованний кварцовий генератор TCXO і стабільні годинник реального часу RTC), комунікаційні інтерфейси, ВЧ-тракт (рисунок 3).

Мал. 3. Структурна схема Teseo-LIV3F

На момент написання статті модуль Teseo-LIV3F ще не надійшов на ринок, і в розпорядженні розробників були тільки так звані цільові характеристики ( «target specification») (таблиця 2, таблиця 3). Згідно з наданими даними, час до першого визначення місцезнаходження у Teseo-LIV3F становить від 32 с при холодному старті і від 1,5 с при гарячому. Чутливість приймача -163 дБм.

Таблиця 2. Навігаційні характеристики Teseo-LIV3F

Параметр GNSS GPS & GLONASS GPS & BeiDou GPS & Galileo Час до першого визначення місцезнаходження, с Холодний старт <32 <36 <30 Теплий старт <25 <29 <26 Гарячий старт <1,5 <2,5 <2 Чутливість, дБм Трекинг -163 -163 -163 Навігація -158 -158 -158 Точність вимірювання швидкості, м / с (при прямолінійному русі) - 0,01 - 0,01 Точність вимірювання швидкості, м / с (при русі по криволінійній траєкторії) - 0,1 - 0,1 Точність вертикального позиціонування, м Автономна робота <1,8 <1,5 - SBAS <1,5 - - Діапазони вимірювань Динаміка, g <4,5 <4 <4,5 Висота над рівнем моря, м 18000 18000 18000 Швидкість, м / с 515 515 515

Teseo-LIV3F здатний працювати при температурах навколишнього середовища -40 ... 85 ° C і напрузі живлення 2,1 ... 4,3 В. Варто, однак, відзначити, що для харчування портів введення-виведення виділений спеціальний вхід, а діапазон напруг обмежений 3, 0 ... 3,6 В (таблиця 3).

Таблиця 3. Загальні характеристики Teseo-LIV3F

Параметри Teseo-LIV3F Навігація GPS / Galileo / Glonass / BeiDou / QZSS Навігаційне ядро Teseo III Об'єм вбудованої Flash-пам'яті 16 Інтерфейси UART, I²C Споживання в активному режимі (тільки GPS), мВт 75 Споживання в режимі очікування, мкВт 17 Харчування загальне, В 2,1 ... 4,3 Харчування I / O, В 3,0 ... 3,6 Габарити, мм 9,7 × 10,1 Діапазон робочих температур, ° C -40 ... 85

Teseo-LIV3F випускається в 18-вивідному мініатюрному корпусі 9,7 × 10,1 мм (таблиця 3). Звичайно, даний форм-фактор не є рекордним, більш того - на ринку вже існують моделі аналогічного типорозміру із сумісним розташуванням висновків. Як приклад можна привести приймачі KL3333 виробництва компанії Навіа і L76 від Quectel. Призначення висновків у цих приймачів таке ж як у Teseo-LIV3F, за винятком сигналів I²C, які в них не використовуються. У KL3333 також не використовуються висновки управління і живлення зовнішніх малошумливим підсилювачем.
До виходу Teseo-LIV3F на ринок і до появи офіційних специфікацій складно порівнювати модуль з існуючими аналогами. Однак уже зараз можна виділити основні переваги Teseo-LIV3F:

• підтримка всіх популярних супутникових систем - ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS. Для порівняння, KL3333 працює тільки з ГЛОНАСС і GPS, а L76 сумісний лише з ГЛОНАСС / GPS / Galileo;
• можливість розрахунку координат при комбінованому використанні декількох ГНСС, наприклад, ГЛОНАСС і GPS або GPS і Beidou;
• підтримка DGPS (differential global positioning system) для ГЛОНАСС і GPS;
• можливість завантаження альманаху за допомогою двох додаткових механізмів (Assisted GNSS): ST Assisted GPS і RealTime AGPS;
• підтримка двох комунікаційних інтерфейсів - I²C і UART. Велика частина приймачів працює тільки з UART;
• можливість роботи як з пасивною, так і з активною антеною;
• наявність вбудованої Flash-пам'яті об'ємом 16 Мбіт, яка може використовуватися для логування або зберігання різних даних, наприклад координат, швидкості і так далі;
• вбудовані програмні функції (одометр, вимірювання швидкості та інше);
• малі габарити;
• засоби розробки і налагодження, що надаються компанією STMicroelectronics.

Можливо, саме останній пункт стане одним з найважливіших переваг при виборі Teseo-LIV3F.

Прискорене виявлення супутникових сигналів в Teseo-LIV3F (Assisted GNSS)

Для виконання розрахунків навігатора потрібно стійкий прийом сигналів з чотирьох супутників і інформація про їх точне розташування - ефемерісе. При цьому ефемеріс необхідно динамічно оновлювати. Наприклад, при використанні GPS ефемеріс зберігає актуальність 4 години, а при використанні ГЛОНАСС - 30 хвилин, після чого необхідно актуалізувати дані. Їх можна отримати з супутника, проте процес займає до декількох хвилин, а може і зовсім закінчитися невдачею. Щоб прискорити час отримання даних про стан супутників, використовуються альтернативні допоміжні системи Assisted GNSS
Teseo-LIV3F підтримує два типи Assisted GPS.
ST Assisted GPS® (STAGPS) - фірмовий програмний механізм передбачення положення супутників від STMicroelectronics. STAGPS накопичує інформацію про попередні положеннях супутників і екстраполюють їх для передбачення нових даних. Такий механізм дозволяє навігатора працювати в автономному режимі, при якому не потрібно підключення до Інтернету або інших мереж. Тривалість передбачення досягає п'яти днів.
STAGPS дозволяє прискорити процес навігації за рахунок передбачень. Як тільки приймач отримує актуальну інформацію, вона тут же міститься в базу даних STAGPS.
Для активації і взаємодії зі STAGPS використовується протокол NMEA.
RealTime Assisted GPS (RT-AGPS) - механізм завантаження альманаху з Інтернету. RT-AGPS вимагає підключення до спеціального серверу, який буде постачати навігатор актуальною інформацією. Важливо відзначити, що STMicroelectronics обіцяє безкоштовну підтримку даного механізму за рахунок серверів, виділених партнерами компанії.
Для взаємодії з RT-AGPS використовуються NMEA-команди.

Комунікаційні інтерфейси Teseo-LIV3F

Модулі Teseo-LIV3F, на відміну від конкурентів, підтримують відразу два комунікаційних інтерфейсу: UART і I²C. Обидва інтерфейсу працюють зі звичним для навігаційних приймачів протоколом NMEA.
Універсальний асинхронний приймач UART можна вважати стандартним для навігаційних приймачів. У Teseo-LIV3F для UART виділено дві лінії: RX0 (висновок 3) і TX0 (висновок 2) (рисунок 4). Для зберігання переданих та отриманих даних використовується пара 64-байтних буферів FIFO.

Мал. 4. Призначення висновків Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F здатний здійснювати обмін даними по I²C зі швидкостями 100 і 400 кГц. Для I²C виділені висновки 16 (SDA) і 17 (SCL).
Teseo-LIV3F завжди виступає в якості веденого, а його адреса задається в конфигурационной прошивці.
Підтримка I²C є вельми корисною для систем з численними датчиками, так як їх можна підключити до однієї шині. Наприклад, при використанні DIY-платформ, зокрема Arduino, для модуля Teseo-LIV3F не доведеться виділяти UART, так як він без проблем буде працювати по I²C разом з іншими пристроями і датчиками.

Підключення антени до Teseo-LIV3F

У найпростішому випадку Teseo-LIV3F може обійтися простий пасивної антеною, підключеної безпосередньо до ВЧ-входу RF_IN (малюнок 5). Імпеданс входу RF_IN (висновок 11) становить 50 Ом.

Мал. 5. Найпростіший варіант включення Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F підтримує роботу з зовнішнім малошумливим підсилювачем (LNA). Для живлення підсилювача використовується 14 висновок (VCC_RF), а для дозволу його роботи - висновок 13 (ANT_OFF) (рисунок 6).

Мал. 6. Підключення малошумящего підсилювача до Teseo-LIV3F

Для мінімізації втрат в режимі зниженого споживання може бути використана схема з активною антеною. Для її підключення використовуються ті ж висновки - VCC_RF і ANT_OFF (малюнок 7).

Мал. 7. Управління активної антеною

Питання споживання є ключовим для всіх навігаційних систем. Це стосується як портативних навігаторів, так і автомобільних трекерів. Teseo-LIV3F підтримує кілька режимів зниженого споживання.

Харчування і споживання Teseo-LIV3F

Для харчування Teseo-LIV3F використовуються три висновки (рисунок 6):

• висновок 8 (VCC) - основне живлення модуля 2,1 ... 4,3 В;
• висновок 7 (VCC_IO) - харчування портів введення-виведення 3,0 ... 3,6 В;
• висновок 6 (VBAT) - батарейне харчування 2,1 ... 4,3 В.

Рівень споживання Teseo-LIV3F залежить від використовуваної ГНСС, від режиму роботи і від напруги живлення (таблиця 4).

Таблиця 4. Параметри споживання Teseo-LIV3F в різних режимах роботи

Режим Параметри Споживання, мВт Активний режим G2 = GPS; Tc = 25 ° C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 У 72 G2 = GPS + ГЛОНАСС; Tc = 25 ° C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 У 90 G2 = GPS + Beidou; Tc = 25 ° C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 У 85 Режим очікування RTC = 32,768 кГц; Tc = 25 ° C; VCC = VCC_IO = 0 В; Vbat = 3,3 В 0,029

Мінімальний рівень споживання в активному режимі складає 72 мВт. Такого результату можна досягти при використанні GPS при мінімальному напрузі живлення 2,1 В.
Для мінімізації загального рівня споживання пропонується використовувати два базових сплячих режиму: програмний (Software Standby) і апаратний (Hardware standby). І в тому, і в іншому випадку більшість функціональних блоків модуля виявляються виключеними, за винятком чергового домену (low power backup domain), який живиться від зовнішнього акумулятора через висновок VBAT.
Software Standby. Teseo-LIV3F може бути переведений в режим Software Standby за допомогою відповідних NMEA-команд. При цьому існує два варіанти сну. У першому випадку пробудження контролює зовнішній керуючий процесор за допомогою виведення WAKE_UP. У другому - модуль автоматично прокидається по сигналу від RTC з заданим інтервалом часу від 5 секунд до 24 годин.
Струм споживання в режимі Software Standby починається від 12 мкА.
Hardware standby. Щоб перейти в даний сплячий режим, необхідно подати логічний нуль на вхід SYS_RESETn (висновок 9) і вимкнути живлення VCC (вивід 6) і VCC_IO (висновок 7). При цьому джерело VBAT повинен бути активним.
Струм споживання в режимі Hardware standby становить близько 6 мкА.

Референсна схема включення Teseo-LIV3F

З урахуванням усього вищесказаного компанія STMicroelectronics пропонує типову схему включення Teseo-LIV3F (рисунок 8). Схема досить проста, крім Teseo-LIV3F вона містить понижуючий перетворювач ST1S12GR , підсилювач BGA824N6 і ПАР-фільтр B4327.

Мал. 8. Референсна схема включення Teseo-LIV3F

Додаткові програмні функції Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F має три додаткових програмних функції: логирование, геофенсінг, одометр.
Логування даних. У Teseo-LIV3F можливо періодичне збереження параметрів у вбудованій Flash-пам'яті об'ємом 16 Мбіт. Модуль підтримує три формату записів (три типи логів), що відрізняються набором даних, що зберігається (координати, швидкість, одометр, висота над рівнем моря і інші). Одночасно виконується тільки один лот. Якщо працювати з першим форматом записів (log-type 1) і зберігати інформацію раз в секунду (1 Гц), то обсягу пам'яті вистачить на 12 годин.
Геофенсінг - нова і досить цікава технологія, активно використовувана в сучасних операційних системах, наприклад, в iOS. Її суть полягає у виконанні будь-яких дій при попаданні навігатора в задану область.
Одометр - проста, але корисна функція вимірювання пройденої відстані. Вона особливо цікава любителям здорового способу життя.

Засоби розробки і налагодження для Teseo-LIV3F

Традиційним перевагою продуктів STMicroelectronics є відмінна фірмова апаратна і програмна підтримка. Без сумніву, Teseo-LIV3F не стане винятком. На даний момент компанія STMicroelectronics анонсувала два налагоджувальних набору - X-Nucleo-GNSS1A1 і EVB-LIV3F (рисунок 9), а також фірмову утиліту для настройки і прошивки модулів TESEO-SUITE.

Мал. 9. Налагодження набори для Teseo-LIV3F

Плата X-Nucleo-GNSS1A1 призначена для роботи з апаратним стеком Nucleo.
Оціночний набір EVB-LIV3F працює в автономному режимі.
Для настройки Teseo-LIV3F передбачається використовувати середу TESEO-SUITE, яка вже доступна для безкоштовного скачування з сайту компанії.

Висновок

Мікросхеми супутникових пріймачів Teseo II и Teseo III виробництва STMicroelectronics добро Знайомі розробник. Тепер номенклатура компанії поповнилася закінченим навігаційним модулем Teseo-LIV3F.
Модуль Teseo-LIV3F побудований на базі мікросхеми Teseo III і відрізняється підтримкою всіх популярних ГНСС: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS.
Серед достоїнств Teseo-LIV3F можна відзначити наявність вбудованої Flash-пам'яті об'ємом 16 Мбіт для логування даних і зберігання прошивки, малі габарити (9,7 × 10,1 мм), підтримку Assisted GNSS, можливість роботи з активної і пасивної антеною, вбудовані програмні функції (геофенсінг, одометр) і одночасну підтримку комунікаційних інтерфейсів I²C і UART.

література

1. UM2231 User manual. Teseo-LIV3F GNSS Module - Hardware Manual. Rev.1. STMicroelectronics 2017 ;
2. UM2229 User manual Teseo-LIV3F GNSS Module - Software Manual. Rev.2. STMicroelectronics 2017 ;
3. www.st.com.

Про компанію ST Microelectronics

Компанія STMicroelectronics є №1 виробником електроніки в Європі. Компоненти ST широко представлені в оточуючих нас споживчих товарах - від iPhone до автомобілів різних марок. Лідери індустріального ринку вибирають компоненти ST за їх надійність і видатні технічні параметри. У компанії ST працює 48 000 співробітників в 35 країнах. Виробничі потужності розташовані в 12 країнах світу. Понад 11 тисяч співробітників зайняті дослідженнями і розробками - інноваційне лідерство ... читати далі