هل لديك فكرة تريد طرحها في السوق؟ في هذه السلسلة ، يتابع جون تيل عملية التوسع من النموذج الأولي إلى الإنتاج. اتبع كل دفعة لإلقاء نظرة فاحصة على كيفية دمج المكونات الفردية.
يجب أن يكون النظام العالمي لتحديد المواقع (GPS) واحدًا من أروع التقنيات التي تصورها البشر على الإطلاق. على الرغم من أن نظام GPS أصبح شائعًا بسبب الهواتف الذكية ، إلا أنه لا يزال يمثل تقنية متقدمة بشكل مثير للدهشة. ومع ذلك ، فمن الممكن أن تدمج GPS في منتجك الإلكتروني الجديد مقابل بضعة دولارات فقط.
مقدمة GPS
تم تطوير GPS بواسطة الجيش الأمريكي في أواخر السبعينيات. يتكون النظام من 24 قمرا صناعيا على الأقل في مدار عالٍ حول الأرض. تسير هذه الأقمار الصناعية بسرعة تقارب 9000 ميل في الساعة والمدار على ارتفاع 12000 ميل. يحمل كل قمر صناعي ساعة ذرية بدقة حوالي 1 نانو ثانية. يتم توزيع الأقمار الصناعية بحيث يكون هناك خط رؤية إلى ما لا يقل عن 4 أقمار صناعية من أي مكان على سطح الأرض. يتلقى مستقبل GPS على الأرض بيانات التوقيت والموقع من هذه الأقمار الصناعية على إشارة حاملة راديوية بتردد 1.575 جيجاهرتز.
عندئذٍ يستطيع مستقبل GPS تحديد المسافة إلى كل قمر صناعي عن طريق التوقيت الذي يستغرقه وصول موجات الراديو ، التي تسير بسرعة الضوء ، إلى جهاز الاستقبال. من خلال معرفة المسافة والموقع الدقيق (المشفر في الإشارة) لثلاثة أقمار صناعية على الأقل ، يتمكن المعالج الدقيق للمستقبل من تحديد موقعه بشكل ثلاثي. مطلوب القمر الصناعي الرابع كاختبار زائدة ولتوفير تصحيحات التوقيت.
يشير مصطلح GPS في الواقع فقط إلى استخدام الشبكة الساتلية التي تديرها الولايات المتحدة. ومع ذلك ، هناك أنظمة ملاحة أخرى قيد التشغيل مثل شبكة GLONASS الروسية وشبكة BeiDou الصينية وشبكة Galileo في أوروبا قريبًا وشبكة QZSS اليابانية. مصطلح النظام العالمي للملاحة الساتلية (GNSS) هو المصطلح العام الذي يشير إلى أي من الأنظمة المذكورة أعلاه.
التنفيذ
يمكن تقسيم التنفيذ إلى ثلاثة أنواع من الحلول: الوحدات النمطية كاملة مع هوائي ، وحدات رقاقة دون هوائي ، وحلول رقاقة منفصلة. يلخص الجدول 1 أدناه مزايا وعيوب كل نوع من أنواع الحلول.
الجدول 1 - مقارنة أنواع حلول GPS
أوصي دائمًا رواد الأعمال بالتركيز أولاً على تقليل مخاطر التنمية وتكاليفهم حتى لو كان ذلك يعني حلاً لا يترك الكثير ، إن وجد ، ربحًا. من الأفضل أن تقلق بشأن زيادة الأرباح بعد تحقيق بعض النجاح الحقيقي في السوق.
كل هذه الحلول تتفاعل مع متحكم المنتج الأساسي عبر واجهة UART متسلسلة. في معظم الحالات ، سيقومون بإخراج إحداثيات GPS بتنسيق قياسي يعرف باسم NMEA (الرابطة الوطنية للإلكترونيات البحرية).
الحل وحدة كاملة
إن أبسط طريقة لتنفيذ نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) هي استخدام وحدة كاملة تتضمن إما هوائي مدمج أو موصل للهوائي الخارجي. انظر الجدول 2 أدناه لمقارنة أربعة وحدات GPS شعبية كاملة متاحة.
وحدة كاملة | GNSS | رقاقة منفصلة | حساسية | الحجم (مم) |
uBlox CAM-M8 | GPS ، GLONASS ، QZSS ، BeiDou | uBlox | -167 ديسيبل | 14 × 10 × 2 |
AdaFruit Ultimate GPS | GPS ، QZSS | MT3339 | -165 ديسيبل | 35 × 26 × 7 |
Telit SE868-A | GPS ، GLONASS ، QZSS ، جاليليو | سرف ستار الخامس | -163 ديسيبل | 11 × 11 × 6 |
SparkFun وحدة GPS | GPS | كوبرنيكوس الثاني | -160 ديسيبل | 28 × 32 × 4 |
الجدول 2 - مقارنة وحدات GPS الكاملة (مرتبة من أعلى حساسية إلى أدنى مستوى)
تقدم الوحدات الكاملة أقل تكلفة للتطوير ولكن أعلى تكلفة للوحدة بحيث تكون عادة مناسبة فقط للاختبار المبكر (أو لمشاريع DYI). أفضل حل لعرض منتج جديد في السوق هو استخدام وحدة شرائح.
الشكل 1 - وحدة Adafruit Ultimate GPS كاملة مع موصل الهوائي
حلول وحدة رقاقة
لا يشتمل حل وحدة الرقائق عادةً على هوائي مدمج ويتطلب عادةً بعض المكونات الخارجية على الأقل. ومع ذلك ، فإن وحدات الرقاقات أقل خطورة من حل شرائح منفصل. انظر الجدول 3 لمقارنة ثماني وحدات رقاقة المتاحة حاليا.
الشكل 3 - وحدة رقاقة GPS من Wi2Wi
يوجد نوعان من شهادات لجنة الاتصالات الفيدرالية FCC: المبرد غير المقصود ، المبرد المقصود. تتطلب جميع المنتجات الإلكترونية شهادة المبرد غير المقصودة على الأقل. فقط المنتجات التي ترسل لاسلكيا تتطلب شهادة المبرد المتعمد مكلفة. عادةً ما تكون الطريقة الوحيدة لتجاوز شهادة FCC المبردة المتعمدة لمنتج لاسلكي (التي تنقل أيضًا) هي استخدام وحدة معتمدة مسبقًا. ومع ذلك ، نظرًا لأن GPS عبارة عن تقنية استقبال فقط ، فإن الشهادة غير المقصودة منخفضة التكلفة مطلوبة فقط. هذا يعني أن استخدام وحدة GPS لا يوفر لك أي شيء على شهادة FCC.
وحدة رقاقة | GNSS | رقاقة منفصلة | حساسية | الحجم (مم) |
سلسلة uBlox M8 | GPS ، GLONASS ، QZSS ، BeiDou | uBlox | -167 ديسيبل | 7 × 7 × 1 |
GlobalTop التقنية PA6H | GPS ، QZSS | MT3339 | -165 ديسيبل | 16 × 16 × 5 |
SkyTraq Venus838FLPx | GPS ، QZSS | فينوس 816 | -165 ديسيبل | 5 × 5 |
Wi2Wi W2SG0021i | GPS ، GLONASS ، QZSS | سرف ستار الخامس | -162 ديسيبل | 7 × 7 × 2 |
مايسترو اللاسلكية A2200-A
| GPS | سرف ستار الرابع | -160 ديسيبل | 14 × 10 × 3 |
LINX تكنولوجيز F4 سلسلة | GPS | سرف ستار الرابع | -160 ديسيبل | 15 × 13 × 2 |
أنتينوفا M10478-A1 | GPS | سرف ستار الرابع | -160 ديسيبل | 14 × 10 × 2 |
تريمبل كوبرنيكوس الثاني | GPS | N / A | -160 ديسيبل | 19 × 19 × 3 |
الجدول 3 - مقارنة بين حلول GPS وحدة رقاقة (مرتبة من أعلى حساسية إلى أدنى مستوى
أحد أهم مواصفات حل GPS هي حساسيته (المقاسة بالديسيبل). وذلك لأن الإشارة التي يتم تلقيها ضعيفة للغاية. تمتلك أقمار GPS قدرة نقل تبلغ 27 واط فقط. بحلول الوقت الذي تنتقل فيه الإشارة إلى 12000 ميل للوصول إلى منتجك على الأرض ، تبلغ قوتها حوالي 3 × 10-16 W (-125dBm)! تعتبر الحساسية أكثر أهمية للتشغيل الداخلي حيث قد تكون قوة الإشارة فقط -155 ديسيبل.
أكبر خطر في تصميم حل باستخدام وحدة رقاقة GPS هو الهوائي. هذا صحيح مع أي تقنية لاسلكية ولكنه ينطبق بشكل خاص على GPS بسبب ضعف قوة الإشارة.
هذا يعني أنه من الأهمية بمكان أن يقوم الهوائي بنقل أكبر قدر ممكن من هذه الطاقة إلى شريحة GPS قدر الإمكان. لتحقيق النقل الأمثل للطاقة ، يجب أن تتطابق مع مقاومة الهوائي وخط النقل الذي يربط الهوائي ودبوس الهوائي بوحدة رقاقة GPS. هذه المعاوقة تقريبًا 50 أوم.
تم بالفعل ضبط مقاومة الهوائي وجهاز إرسال واستقبال رقاقة GPS ، لذا يتعين عليك تصميم خط النقل بحيث يتوافق مع مقاومة 50 أوم. أوصي باستخدام أداة مجانية تسمى AppCAD من Avago Technologes. بالنسبة لثنائي الفينيل متعدد الكلور ، عادة ما يكون نوع خط النقل المستخدم لتوصيل الهوائي إما شريطًا صغيرًا أو دليل موجي مستوي (انظر الشكل 4).
الشكل 4 - Microstrip مقابل الدليل الموجي Coplanar (من Avago Technologies AppCAD)
microstrip هو نوع من خطوط النقل ملفقة على PCB لحمل موجات الراديو عالية التردد. إنه شريط موصل مفصول عن مستوى الأرض بطبقة عازلة. يشبه الدليل الموجي المتحد المستوى أنه محاط أيضًا بطائرة أرضية. مقاومة 50 أوم هي من خط النقل إلى الأرض ، ويجب عدم الخلط بينها وبين المقاومة البسيطة للخط.
بالإضافة إلى استخدام خط نقل مناسب ، من الضروري أيضًا إضافة شبكة pi (عادةً مرشح C-L-C) بين الهوائي وشريحة GPS. هذا يسمح بضبط دقيق لمقاومة الهوائي لتحقيق المطابقة المثلى ونقل الطاقة الأقصى.
حل رقاقة منفصلة
بمجرد أن يكون حجمك مرتفعًا بدرجة كافية (100k +) ، فأنت تريد أن تبدأ في إيجاد طرق لخفض تكاليف وحدتك وزيادة هوامش الربح الخاصة بك. يكون هذا عندما يكون من الأفضل الانتقال إلى حل شرائح منفصل يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكلفة المنتج. يحتوي حل الشريحة المنفصلة على أعلى تكلفة تطوير (وخطر) ولكن بأقل تكلفة للوحدة. من الناحية المثالية ، ستكون قادرًا على استخدام نفس الشريحة المنفصلة التي تم استخدامها في الوحدة النمطية الأولية الخاصة بك.
رقاقة منفصلة | GNSS | حساسية |
CSR SiRF Star IV | GPS | -160 ديسيبل |
CSR SiRF Star V | GPS ، GLONASS ، QZSS | -162 ديسيبل |
MediaTek MT3339 | GPS ، QZSS | -165 ديسيبل |
SkyTraq فينوس 816 | GPS ، QZSS | -165 ديسيبل |
الجدول 4 - مقارنة رقائق GPS منفصلة
استنتاج
في معظم الحالات ، من الأفضل أن تبدأ بحل GPS وحدة كاملة للاختبار الأولي. ثم قم بالترقية إلى وحدة شرائح لاستخدامها في أغراض اختبار السوق ذات الحجم المنخفض. بمجرد وصولك إلى أحجام التصنيع العالية ، يمكنك تطوير حل شرائح منفصل لخفض تكلفة المنتج. تذكر أن تبدأ دائمًا بأدنى الحلول. هذه النصيحة صحيحة بشكل عام عندما يتعلق الأمر بتطوير المنتج بميزانية محدودة.