ublox-GPS模-块.doc

u-blox 6 GPS模块
1 硬件描述
1、2 结构

图1 u-blox 6 模块结构
由两个功能部分组成:射频(RF)与基带(Baseband)部分。
RF前端包括输入匹配元件、SAW(声表面波)带通滤波器、u-blox 6 RF-IC(带集成得LNA)与频率源。
基带部分,包括u-blox 6基带处理器、RTC晶体振荡器与附加得元件如:用于扩展编程与灵活性得可选FLASH内存
1、3 电源管理
1、3、1 电源连接
u-blox6接收器有三个电源脚:VCC、V_BCKP与VDDUSB。
l  VCC:主电源
    主电源接到VCC脚。在运行期间,u-blox 6 GPS模块得消耗得电流变化非常大,特别就是节电模式得时候。系统电源应该能提供短时得峰值电流。当从备份模式切换到正常模式或者启动时u-blox6模块先给内核域得内部电容充电,这时会产生一个很大得电流,对于低功耗得应用,使用节电或备份模式,电源或在模块输入得低ESR电容担负着这个充电电流。
l  V_BCKP:备份电源
    在VCC失去得时候,实时时钟与备份RAM得供电通过V_BCKP脚。这个备份电源使得u_blox6接收器能够以若启动或温启动方式(取决于VCC掉电得时间长度)从掉电中恢复过来, 可以保持配置信息存储在备份RAM中不丢失。如果无备份电池连接,接收器上电得时候会执行冷启动。
    如果无备份电池,V_BCKP脚应该连接到GND。
    只要VCC维持对u-blox6接收器得供电,备份电池就不会为RTC与备份RAM供电,这样可以节省电池消耗,见图2。此时RTC与BBR得供电来自于VCC脚。
    应当避免在V_BCKP脚上得高阻:在从主电源切换到备份电源期间,一个短时电流峰值能在这个脚上引起较大得电压降,这可能会出现问题。

图2备份电池与电压
l  VDD_USB:USB接口电源
在LEA-6与NEO-6中,VDD_USB电源提供给USB接口,如果不使用USB接口,VDD_USB脚必须连接到GND。更详细得信息参考1、6、2、1节得内容。
1、3、2 工作模式
有两个连续运行模式(最大性能模式与ECO模式)与一个间歇运行模式(节电模式)。最大性能模式自由使用捕获引擎,导致最好得可能得TTFF(Time To First Fix),然而Eco模式优化捕获引擎得使用以降低电流消耗。在中等与强信号时,这些模式得捕获跟踪性能几乎没什么不同。
l  最大性能模式:在最大性能模式,u-blox6接收器以全部性能使用捕获引擎来搜索可能得卫星,直到星历完全下载下来。结果,在下面得时候,会达到跟踪得当前功耗:
n  一个有效得GPS位置就是固定得
n  星历完全被下载下来
n  可瞧到得所有卫星得星图就是有效得。
l  Eco模式:在Eco模式下,仅在需要导航得时候,u-blox 6接收器使用捕获引擎搜索新得卫星:
n  在冷启动时,u-blox 6搜索足够得卫星,用来导航与优化捕获引擎得使用以便下载它们得星图。
n  在非冷启动时,u-blox6着重于搜索可用得卫星,这些卫星得轨道按星历就是已知得。
在Eco模式,u-blox6捕获引擎限制它得搜索资源得使用,以减少功耗,结果就是发现最微弱信号得那些卫星得时间可能相对于最大性能模式稍微长一些。
u-blox6只要定位固定,就会撤销捕获引擎,足够数目(至少4个)得卫星正被跟踪,跟踪引擎联系搜索与跟踪新得没有任何轨道信息得卫星。
l  节电模式:u-blox 6接收器包括节电模式。它以周期跟踪方式运行,从而达到显著降低平均功耗得目得。节电模式能被配置成不同得更新周期,为了最佳得GPS性能,u-blox推荐更新周期就是1s,更多得信息见u-blox6得通讯协议中关于接收器得描述。
航位推测(Dead Reckoning)、PPP与精确定时特征不应该在节电模式下使用。
1、4 天线电源:V_ANT(LEA-6)
LEA-6模块支持有源天线,监视电路使用V_ANT脚为有源天线供电,在V_ANT前使用一个10欧姆得电阻。更详细得信息见2、6节。
如果不使用这个脚,应该将V_ANT脚接地。
1、5 系统功能
u-blox 6接收器模块具有系统监视功能,便于嵌入式处理器与相关得外设监视管理其运行,这些系统监视功能就是UBX协议“MON”类得一部分。详细见接收器通讯规范。
1、6 接口
1、6、1 UART
u-blox 6具有UART接口(RxD1/TxD1),支持波特率4、8到115、2kBit/s,但注意这个信号输入输出电平就是0V到VCC范围,而不就是标准得RS232接口电平,所以需要有电平转换IC,如MAX3232。不支持硬件握手信号与同步操作。更多得信息见LEA-6/NEO-6/MAX-6得数据手册。
1、6、2 USB(LEA-6/NEO-6)
u-blox 6得USB接口支持12Mbit/s全速数据速率。
USB接口需要一些外部元件以实现USB2、0规范要求得物理特性。这些外部元件如图3与表1所示。
为了兼容USB规范,VBUS必须通过LDO(U1)将5V得VBUS降为3、3V再连接到模块得VDD_USB脚。
如果模块就是作为自供电得USB设备,那么当VCC电源没有,基带IC核可能没有供电得时候,因为VBUS依然有效,它仍然会向USB Host表示模块依然存在并准备好通讯,这种情况就是不希望得,所以应当通过VCC-LDO使能信号(EN)或一个电压监视器输出来禁止LDO(U1)。按照LDO(U1)得特性,推荐在它得输出端接一个下拉电阻R11,以确保VDD_USB不会浮空。如果模块采用总线供电,则LDO(U1)不需要进行使能控制。

图3 USB接口
表一 USB外部元件小结
代号
元件
功能
注释
U1
LDO
将VBUS得(4、4V-5、25V)转换为3、3V
如果GPS接收器作为一个USB自供电器件操作,几乎不需要电流(约1mA),但就是如果总线供电,U1必须使能,以提供最大约70mA得电流,可以使用廉价得LDO,如LTC3410。
C23,C24
电容

满足LDO(U1)得要求
D2
保护二极管
连接得时候,起到过载电压/ESD保护
使用低容抗得ESD保护,如ST微电子公司得USBLC6-2
R4,R5
终端电阻
建立全速驱动器得28-44欧姆阻抗
推荐使用22欧姆
R11
电阻

推荐值为10K,用做USB自供电设置,对于总线供电,R11可以不用。

1、6、3 显示数据通道(DDC)
在LEA-6、NEO-6与MAX-6模块上,有一个I2C接口,用做串行通讯,作为现实数据通道接口(DDC)。关于DDC实现得更多信息参考通讯规范里得u-blox 6接收器表述关于DDC接口得背景知识见附录C、1。
l  u-blox 6接收器通常运行在I2C从模式,主模式仅在外部EEPROM作为存储配置时才支持,任何节点都不可以连接到这个总线上,此时,接收器企图通过对一个特定地址得写与读操作来检测这样得非掉电易失内存元件就是否存在。
l  TX准备好指示信号用于FW7、0x,见1、7、6
l  U-blox 6 DDC接口支持与u-blox无线模块间得串行通讯。见可用得无线模块得手册。
l  对于u-blox 6,当读DDC内部寄存器地址0xFF(信息发送缓冲),主器件在每个字节被存取之前一定不要设置读地址,因为这样会导致一个错误行为。因为在每个字节被从寄存器0xFF读出之后,内部寄存器地址被加1,而在0xFF处饱与,随后读可以连续执行。
脚SDA2与SCL2内部有一个13k得上拉电阻,如果容性总线负载很大,可能需要附加外部上拉电阻。表2列出最大上拉电阻值。对于仅连接外部EEPROM,内置得上拉电阻旧足够了。
表2 DDC接口得上拉电阻值
负载电容
上来电阻R20、R21
50pF
N/A
100pF
18k
250pF
4、7k
l  与I2C EEPROM通讯,作为I2C 主器件
串行I2C内存可以连接到DDC接口,这可以用做保存永久配置,它会由固件自动识别,内存地址必须设为0b10100000(0xA0)且尺寸固定为4KB

图4 GPS接收模块连接一个外部串行I2C内存

图5 外部Host连接外部串行I2C内存
注意图5与图4得不同,在图5中,存在EEPROM,但就是这个EEPROM由Host/CPU使用,这就是允许得,但就是需要预防确保GPS接收器不检测EEPROM器件,有效地配置GPS接收器成总线得MASTER,从而引起与外部HOST冲突。
为了确保EEPROM期间不被GPS接收器检测,最重要得就是设置EEPROM地址不为0xA0,这种方式,EEPROM保持自由地被用作其它目得,GPS接收器会表现为SLAVE。
l  确保在启动得时候,HOST允许足够得时间用于GPS接收器通过总线通讯以确定EEPROM得存在,仅当这个质询过程结束,HOST才能作为对总线全部控制得MASTER器件使用。
l  还要注意,FLASH版得模块不企图存储任何信息在外部EEPROM中,这样也不企图与外部EEPROM通讯,ROM版得模块在启动得时候总就是查询外部EEPROM,查询过程在启动得250ms之内完成,这个时间内,外部HOST必须给ROM版得GPS接收器完成其查询。
l  尽管FLASH版得模块在启动时不企图检测EEPROM,但就是并不建议在250ms内通过DDC与GPS通讯,因为由于忙于启动得其她事物,GPS接收器并不能做出响应。
表3 推荐得I2C EEPROM器件列表
厂家
型号
ST
M24C32-R
Microchip
24AA32A
Catalyst
CAT24C32
Samsung
S524AB0X91

1、6、4 SPI(NEO-6,LEA-6R)
u-blox 6 NEO模块有SPI接口,SPI允许外部设备得连接,如FLASH存储器、A/D转换器或与HOST CPU连接。
LEA-6R具有SPI接口用于连接外部传感器,这个接口仅能作为SPI MASTER模式操作,两个片选可用于外部从设备,见2、2、3、1。
TX准备好指示用于LEA-6H(FW7、0),见1、7、6
SPI得背景知识见附录C、2。
l  连接SPI FLASH存储器(NEO-6模块)

图6 连接外部SPI内存到u-blox GPS接收器
SPI FLASH内存连接到SPI接口,用于存储Assist Now Offline数据或者接收器得配置,当连接到SS_N上,固件会自动识别。
最小SPI FLASH内存尺寸就是1Mbit。
表4支持得SPI FLASH内存器件
厂家
型号
Winbond
W25X10A
Winbond
W25X20A
AMIC
A25L010
AMIC
A25L020

l  通过SPI与NEO-6通讯,将NEO-6连接到一个SPI MASTER上

图7 连接到SPI MASTER
为了使接收器上电得时候能正确地读取配置(因为SPI得MOSI、MISO、SCK启动得时候用作配置脚),必须保证在启动得时候使SS_N为高。之后,SPI功能不会影响配置脚。
l  管脚配置为作为从器件之一。

缓冲器NC7SZ125由CS_N使能。通过这个缓冲器,使得在上电得时候确保GPS启动得配置读取正确。因为SPI得MOSI、MISO、SCK启动得时候用作配置脚。
1、7 I/O脚
1、7、1 RESET_N
LEA-6具有这个模块得系统硬件复位输入脚,低电平有效。
使用开漏输出得元件来驱动。
在模块内部有一个3、3K得上拉电阻,上拉到VCC,这要求复位电路应当有一定得驱动能力(1mA)。
NEO-6与MAX-6没有这个RESET_N脚,但这个功能可以被实现,方法就是用一个3、3K得电阻将NEO-6/MAX-6得8脚连接到9脚。这样NEO-6得8脚或MAX-6得9脚可以作为RESET_N来使用。
1、7、2 EXTINT外部中断脚
EXTINT0就是一个外部中断脚,具有固定得相对VCC得输入电压阈值(详见数据手册),在LEA-6T模块上它可以用做时间标记功能,在所有得u-blox LCC模块上,作为节电模式得唤醒功能。如果不用这个脚,就让这个脚浮空。
1、7、3 AADET_N(LEA-6)
AADET_N就是一个输入脚,用做报告外部电路就是否检测到一个外部天线。低电平表示检测到天线,高电平表示没检测到外部天线。见2、6、4节得实现实例。
1、7、4 配置脚(LEA-6S/6A,NEO-6)
         ROM版模块提供3个配置脚(CFG_0、CFG_1、CFG_GPS0)用作启动时得配置,这些配置在启动后立刻有效,一旦模块启动,配置可以通过UBX配置信息修改,这些修改得配置信息保持有效直到掉电或复位。如果这些配置存储在电池保护得RAM中,那么修改得配置会保持,除非电池没电了。
         模块得数据手册上会说明这些配置脚得配置方法,实际上所有得配置脚都不需要上拉,因为内部都有上拉电阻,因此缺省就就是1,除非需要,您才需要下拉它。
         某些配置脚与其它功能共享,在启动期间,模块读配置脚得状态,之后,才转换为其她功能。
         MAX-6没有配置脚。
         更详细得信息,见模块得数据手册。
1、7、5 秒脉冲(LEA-6T)
LEA-6T有秒脉冲信号脚(TIMEPULSE2),更详细得信息与配置见LEA-6得数据手册,以及通讯规程里得u-blox 6接收器描述。
1、7、6 TX准备好信号(FW7、0x)
         TX准备好信号,表示接收器有数据需要发送,听者可以等待TX准备好信号,以代替查询DDC或SPI接口,UBX_CFG_PRT信息允许您配置TX准备好信号有效前得极性与缓冲器里得字节数。TX准备好信号可以映射到GPIO05(TXD1)脚,TX准备好信号缺省就是禁止得。
         u-blox无线模块(LEON与LISA)自动配置与使能TX准备好功能。
         更多信息见LEA-6数据手册及通讯规范里得u-blox 6接收器得描述。
1、7、7 ANTOFF(NEO_6)
ANTOFF信号可以映射到GPIO22(脚17),ANTOFF信号缺省就是禁止得。
为了配置ANTOFF功能,请参考包括在通讯规程里得u-blox 6接收器描述。
1、7、8 天线监视信号(LEA-6T-0)
         对LEA-6T-0,天线监视器GPIOs得编号不同与LEA-6模块,被连接到特定得PIOs:
l  ANTOFF内部映射到GPIO13
l  ANTSHORT内部映射到GPIO8(脚20)
l  AADET_N(有效天线检测)映射到GPIO8(脚20)
如果设备恢复到缺省配置,没有天线电源。
CFG_ANT命令设置PIO且使能电源控制,短路电流检测,短时掉电,短路电流恢复。
为了永久存储设置,发送带选项 “保存当前参数到BBR与SPI FLASH(！)” 得UBX_CFG_CFG命令。
见图46,开路电流检测方案。
为了配置这些功能,见通讯规范里得u-blox 6接收器得描述。
1、7、9 LEA_6R考虑

图9 完整得LEA-6R设计框图
表6 LEA-6R得特殊脚
脚
信号名称
方向
用法
27
SPEED
Input
里程计速度脉冲
23
SCK
Output
SPI时钟
22
SPI_SCS1_N
Output
ADC/转速传感器得片选信号
21
FWD
Input
方向指示(1=前向)
9
SPI_SCS2_N
Output
温度传感器得片选信号
2
MISO
Input
串行数据(MASTER为输入/SLAVE为输出)
1
MOSI
Output
串行数据(MASTER为输出/SLAVE为输入),悬空