有光的地方就能工作,拇指盖大小的GPS接收器方案设计

2019年08月15日 作者:Teardown

GPS 技术正在越来越多地与低功耗模式结合在一起,也就是说,这些微型器件现在可由太阳能电池供电。 例如,由来自美国、澳大利亚、英国和中国的公司组成一个名为 Retrievor 的联合体正通过众包形式筹资来开发硬币大小的 GPS 跟踪设备。 小型自供电 GPS 系统利用 Android 或 Apple iOS 应用提供位置信息,可用于跟踪贵重物品,甚至是宠物。

Retrievor 设备的直径为 28 mm (1.10"),厚 10 mm (0.39") 并在模块中集成天线,以减小自身体积。 该装置采用 SiRFstarIV GPS 处理器,可用于各种挑战性 GPS 环境,如室内跟踪,或者用于终端用户移动的情况。 这一高水平 GPS 性能源自创新的 GPS 固件,能够探测周围环境变化、温度、卫星信号,并在任何可能的情况下更新内部数据,进而提供几近连续的导航功能。

Retrievor 接收器所需的电源来自集成式太阳能板和向 3.7 V 锂离子电池供电的移动充电器,也可通过微型 USB 充电。 用户定义的 ping 速率可在每秒至每天一次之间调节,因此 Retrievor 可能从来就不需要充电。

构建 GPS 接收器

集合了 RF 和天线的高度紧凑型模块可与能量收集变送器、电源管理器组合在一起,形成一个独立于电源的同类小系统。 在认真考虑了系统功耗预算后,太阳能电池(如 Sanyo 的产品)就能满足所有的电源要求。 在这些小体积情况下,避免 RF 布局带来的各种问题也至关重要,否则会增加功耗,致使能量收集源不足。

M10478 来自 Antenova,是一款高度集成的 GPS RF 天线模块,适用于 L1 频带 GPS 和 A-GPS 系统。 该器件处采用与 Retrievor 接收器相同的 SiRFstarIV GPS 架构外,还结合了 Antenova 高能效天线技术,旨在提供一个适于 GPS 接收的最佳辐射图。

所有前端和接收器元件均置于单一封装的层压基材模块中,形成一个满足最佳性能要求的完整 GPS 模块。 M10478 采用单路 1.8 V 正电源,其功耗更低且具有能进一步节能的多种低功耗模式,因此可由太阳能电池供电型 3.7 V 锂离子电池为其供电。 精确的 0.5 ppm TCXO 保证了移动应用具有很短的首次定位时间 (TTFF);该模块采用独立的软件支持,兼容 UART、SPI 和 I²C 主处理器接口。

涓流电源 (TP)

该模块具有可降低功耗、实现量收集源的“涓流电源”工作模式。 该模块可进入占空比模式降低平均电流功耗,但仍保持高灵敏度、高性能,以确保其接收微弱信号。

正常条件下,该模块在 TP 模式下一般满功率工作 100 - 900 ms 并进行一次定位,然后进入持续 1 - 10 s 的较低功耗待机状态。 有时(通常为每 1800 s),该模块会重新进入满功率模式更新星历数据。

在 TP 模式下时,如果信号条件恶劣(低于 30 dB-Hz),该模块会自动切换至满功率模式,以提升导航性能, 当信号条件恢复正常时再次进入 TP 模式。 这样会形成多变省电状态,但对于固定输出速率来讲,则可获得更可靠的性能。 采用 TP 模式的应用工作时与采用满功率模式的应用类似,但在强信号条件下会显著降低功耗。

至于必须单独添加天线的设计, SG 系列 GPS 接收器模块( Linx Technologies 产品)便是一款采用板载 LNA 和 SAW 滤波器的自保持式高性能 GPS 接收器。 该器件基于 SiRFstar III 芯片组,拥有高灵敏度和很低的功耗,有助于最大限度地延长能量收集应用的运行时间。 SG 系列拥有超过 20 万个有效相关器,即使在最低信号水平下也能在数秒之内同步搜索并跟踪多达二十颗卫星。

该接收器采用兼容回流焊的紧凑型 SMD 封装,无需进行编程或者增加 RF 元件(天线除外)就能形成一个完整的 GPS 解决方案。 通过简单的串行命令便可方便地配置五个 GPIO,再加上该模块的标准 NMEA 数据输出,即使以前没有任何 RF 或者 GPS 经验的工程师也能轻松进行集成。 GPS 内核能自动处理所有必要的初始化、跟踪和计算任务,无需编程。 RF 部分针对低水平信号进行了优化,因此任何类型的器件在生产时也不需要调节。

默认情况下,SG 系列满功率模式工作,但也内置了功率控制模式,这一模式在采用能量收集源时称作自适应涓流电源模式。

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