基于Spreadtrum和SiRF的GSM+GPS模塊設(shè)計

摘要 GSM/GPRS與GPS之間靈活的組合和配置，以及軟件和硬件客戶的個性化定制方案，使UB680模塊非常適用于追蹤器、防盜短信報警器、監(jiān)控器、小孩/老人/病人/寵物監(jiān)護、車載調(diào)度等，也可應(yīng)用于帶導航功能的智能手機等手持設(shè)備和行業(yè)應(yīng)用中。文中闡述UB680 GSM+GPS模塊的構(gòu)建方法和實現(xiàn)過程，改進了GSM和GPS模塊各自獨立的解決方案，實現(xiàn)了GSM對GPS的各種控制。

關(guān)鍵詞? GSM? 全球定位導航系統(tǒng)? 低噪聲放大器? UB680

1? 系統(tǒng)簡介

　　UB680模塊集成了四頻GSM/GPRS無線通信模塊和GPS接收機模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。GSM和GPS兩者高度結(jié)合，提供了多種靈活的工作模式。GSM/GPRS和GPS接收機既可分別獨立工作又可由GSM/GPRS控制GPS。GPS信息可由本地控制和傳送，也可空中控制和傳送。60腳板對板連接器將各個功能接口留出，主要包括：GSM電源接口 （Power Supply）、 GPS電源接口（Power Supply）、ADC接口、 GSM串行通信接口 （2 Channel UART）、GPS串行通信接口（1 Channel UART）、雙通道模擬音頻接口(2 Channel Audio)、5×5矩陣式鍵盤接口（5×5 Keypad Array）、標準SIM卡接口、后備電池（RTC Backup）等。本身內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，支持AT命令擴展，可以實現(xiàn)各種用戶個性化定制方案。

圖1? 系統(tǒng)框圖

2? 軟件架構(gòu)

圖2? 軟件框圖

　　除了GSM/GPRS通信軟件功能和GPS receiver軟件外，還有融合二者的GPS數(shù)據(jù)接收、GPS數(shù)據(jù)發(fā)送、GPS控制和GPRS網(wǎng)絡(luò)自恢復機制4個部分，如圖2所示。GSM/GPRS單元使用GSM_UART2接收標準NMEA-0183格式的GPS數(shù)據(jù),并且把接收的GPS數(shù)據(jù)按照用戶AT指令設(shè)置指定的傳送方式進行本地顯示或者傳送到第三方接收單元，第三方接收單元按照NMEA-0183標準對接收到的GPS數(shù)據(jù)進行二次處理。

　　GSM/GPRS單元可以通過GSM_UART2發(fā)送AT指令對GPS單元進行控制，例如控制GPS輸出的波特率和匯報時間等。當選擇以GPRS方式傳送GPS數(shù)據(jù)時，可能由于GPRS網(wǎng)絡(luò)異常、TCP/UDP斷開導致GPS數(shù)據(jù)傳送被迫中斷，GPRS自恢復機制能夠重新連接上GPRS網(wǎng)絡(luò)、激活PDP和建立TCP/UDP連接，從而最大程度地保證GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

3? 工作模式

3.1? GPS單元與GSM/GPRS單元獨立工作模式

　　GPS單元與GSM/GPRS單元的獨立工作模式如圖3所示。

圖3? GPS GSM/GPRS獨立工作模式

　　GPS單元與GSM/GPRS單元可以看作是完全獨立的兩個個體，兩者可以脫離對方依賴單獨運行。它是GSM/GPRS單元和GPS模塊在硬件上的簡單組合。兩者之間在邏輯上無任何關(guān)系，GSM/GPRS通過其AT指令串口接受用戶的控制。GPS通過其串口向用戶匯報相應(yīng)的定位信息以及接受用戶的各種配置控制。

　　GPS單元可作為一個獨立的實體，且提供一個端口GPS_UART0供用戶使用。GPS_UART0口既可輸出標準的NMEA0183協(xié)議的定位信息又可接受用戶的控制，輸出的定位信息可供GSM/GPRS單元或其他第三方單元使用處理。

　　通過GPS_UART0口可控制GPS的數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容： GPS波特率——2 400、4 800、9 600、14 400、19 200、28 800、38 400、57 600、115 200 bps，啟動模式——Cold、Warm、Hot，停止模式——Stop、Sleep，時分區(qū)——Hour zone(-11,-10,-9， …，12 ),Minute zone(0、15、30、45)，Debug時間間隔配置——0、5000，位置栓——終端顯示位置可鎖定不變，滿足一定越界條件才改變。GSM/GPRS單元也可視為一個獨立的實體，且提供2個串口GSM_UART0、GSM_UART1供用戶使用。GSM_UART1作為Debug口使用，打印調(diào)試信息、log信息等；GSM_UART0作為AT指令口使用，回顯數(shù)據(jù)，對指令功能進行設(shè)置、執(zhí)行、測試、查詢等。

3.2? GPS單元與GSM/GPRS單元融合工作模式

　　在融合工作模式下，GPS的定位數(shù)據(jù)傳輸至GSM/GPRS單元并在該單元中根據(jù)用戶的配置進行相應(yīng)的處理，可將GPS數(shù)據(jù)分別在串口輸出(工作模式2)、SMS傳輸和GPRS傳輸(工作模式3)。傳送的數(shù)據(jù)為標準的NMEA0183數(shù)據(jù)格式[1](以“＄”開頭和*cc結(jié)尾，cc為2位十六進制校驗和)，依照客戶的不同需求，可以把GPS截獲的數(shù)據(jù)解析成易于理解的信息。在該工作模式下傳送、控制、串口輸出數(shù)據(jù)等，以滿足客戶不同的需求。模塊提供了一系列的AT指令并且具有可擴展性，方便用戶通過GSM_UART0串口對GPS單元進行控制和設(shè)置，以獲取相應(yīng)的GPS定位信息，并且通過GSM/GPRS單元進行本地回顯或者遠程匯報。

3.2.1? GPS信息由GSM/GPRS串口輸出

　　通過在超級終端中輸入圖4中的AT指令實現(xiàn)。

圖4? PC控制指令

　　AT+PSIPR=115200；設(shè)置GPS COM口的波特率為115 200 bps
　　AT+GPSDATAMODE；設(shè)置GPS數(shù)據(jù)傳輸模式為1，即GPS數(shù)據(jù)在GPRS上傳輸
　　AT+GPSSTART；開始GPS任務(wù)

3.2.2? GPS信息由GPRS方式傳輸

　?、?打開Server服務(wù)器模擬程序。
　?、?設(shè)置本地端口號。
　　③ 選擇監(jiān)聽按鈕。

　　在超級終端對話框內(nèi)依次輸入圖5所示命令：

　　AT+CGACT；激活PDP上下文
　　AT+GPSDATACONF；設(shè)置GPS數(shù)據(jù)以GPRS模式傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)參數(shù)

圖5? PC控制指令

3.2.3? GPS數(shù)據(jù)通過SMS傳輸

　　GPS數(shù)據(jù)通過GSM的短消息形式傳輸,在超級終端對話框內(nèi)依次輸入圖6所示命令：

AT+GPSDATAMOD；設(shè)置GPS數(shù)據(jù)傳輸模式為2，即GPS數(shù)據(jù)以GSM的短消息形式傳輸
AT+GPSSMSNUM；設(shè)置GPS數(shù)據(jù)以短信方式傳輸目的號碼

圖6? PC控制指令

3.3? GPS數(shù)據(jù)輸出頻率控制

　　GPS數(shù)據(jù)輸出，包括通過GSM/GPRS單元的串口輸出、SMS輸出和GPRS輸出。使用AT命令“AT+GPSOUTFREQ=[NUM]”可改變輸出頻率。注：NUM的取值范圍為1~65 535，單位為s。

4? GPS射頻性能調(diào)試

　　LNA UPG8231調(diào)試中所使用的GPS信號是由Agilent E4438C ESG矢量信號發(fā)生器[2]和409 GPS專用模塊產(chǎn)生的?？梢陨啥噙_8個實時GPS衛(wèi)星信號，并可使用預(yù)配置的情景文件（包括多普勒頻移）對它們進行配置；或?qū)⒅渲贸膳c真正的衛(wèi)星軌道保持同步，從而與衛(wèi)星信號中包含的導航信息相一致。

　　GPS調(diào)試環(huán)境： 用E4438C矢量信號發(fā)生器（E4438C配上選件409 GPS）產(chǎn)生模擬GPS信號送到GPS模塊射頻輸入端，在PC端運行軟件SiRFDemo 3.86，用頻譜儀Agilent N8973A/N400A(Noise Source)測試噪聲系數(shù)。

4.1? 測試GPS射頻指標

（1） 系統(tǒng)噪聲系數(shù)

　　SirfstarIII的整個接收回路（參考接收機設(shè)計）大約有3.0 dB的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，如表1所列。

表1? 系統(tǒng)增益和噪聲系數(shù)

　　根據(jù)公式： F=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+(F4-1)/G1G2G3+…
　　F=(Input S/N)/ (Output S/N)
　　計算可得 F=2.5+0.06-0.15=2.41
　　式中F表示噪聲系數(shù)，G表示增益。

（2） LNA的S參數(shù)

　　按原V1.0板的匹配情況，LNA在1 575.42 MHz的S參數(shù)（S11=-2.8, S21=13.4, S22=-5.6，S12=-30）性能比較差。經(jīng)過仔細調(diào)試，得到了LNA的最終匹配電路，如圖7所示。

圖7? LNA匹配后電路原理

　　GSC3f/LP定位所需要GPS信號的C/N為28? dB以上。本模塊在SiRFDemo3.86軟件上測試的性能為：當?shù)刃л斎牍β蕿?120 dBm時，C/N為49 dB，當輸出功率為-136 dBm時，C/N為35 dB。Coretek自己做的另一款GPS模塊用 BGA615：-120 dBm時C/N為47 dB，-136 dBm時C/N為32 dB，NF為 2.8 dB。

　　最終LNA在1 575.42 MHz時的S參數(shù)為：S11=-14.6 dB，S21=16.7 dB，S22= -6.0 dB, S12=-37.2 dB NF=2.2?dB。如果考慮焊接到PCB上LNA的輸入和輸出端的那兩條射頻小線Cable Loss無法補償?shù)? LNA的增益在19 dB左右，LNA的真實NF應(yīng)該在1.4 dB左右。

　　表2是對NEC的評估板實測情況（儀器為Agilent N8973A/N400A）：

表2? NEC UPG8231評估板

　　由于焊接到電路板上LNA的輸入和輸出端的射頻線的插入損耗無法精確估計，從而帶來一些測量誤差?？紤]到這些測量誤差的影響，我們認為設(shè)計取得了理想的效果，是比較成功的。

（3） 首次定位時間TTFF

　　TTFF如表3所列。

表3? TTFF

5? 系統(tǒng)設(shè)計中的缺陷

　　原因：設(shè)計中由于把GPS_TXD1直接連接到GSM_RXD2。沒有考慮到不同的基帶芯片之間存在的I/O電平的差異，導致系統(tǒng)運行時存在潛在的不穩(wěn)定因素。筆者在hyperlynxV7.7中用LineSim仿真也預(yù)見了這種危險。

　　問題一：當GSM VBAT為0 V時，測量 GPS_TXD0的輸出（在示波器上觀察），同時在串口上測量，發(fā)現(xiàn)剛復位時有輸出波形，過幾十秒后串口無輸出。

　　查詢GSM基帶芯片手冊可知，如表4所列，Pin M5在GSM復位時為高電平。在剛加電時其狀態(tài)不穩(wěn)造成GPS串口無輸出。

表4? I/O特性

　　問題二：剛上電時GPS串口無輸出，按GPS復位鍵后有輸出。

　　GSM復位信號的上升時間為800 μs，幅度為4.09 V；GPS復位信號的上升時間為1.44 ms，幅度為1.8 V。對剛上電GPS無輸出這種情況，初步認為是GPS電源部分的上電時序的問題，導致GPS復位不充分（即系統(tǒng)設(shè)計中沒有復位GPS用的Flash）。

　　編者注： 本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻

[1]? NMEA0183: the National Marine Electronics Association.
[2] ?Agilent E4438C應(yīng)用手冊.

張國軍(研究生)，主要研究方向為無線通信。

（收修改稿日期：2008-07-07）