基于Spreadtrum和SiRF的 GSM+GPS模塊設計

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(2Channel UART)、GPS串行通信接口(1 Channel UART)、雙通道模擬音頻接El(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。

2 軟件架構(gòu)
　　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一0183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一0183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、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。

3工作模式
3．1GPS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。

　　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_UARTO口既可輸出標準的NMEA—0183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_UARTO口可控制GPS的數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：GlPS波特率——2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200bps，啟動模式——Cold、Warm、Hot，停止模式——Stop、Sleep，時分區(qū)——Hourzone(一11，一10，一9，…，12)，Minutezone(0、15、30、45)，Debug時間間隔配置——O、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_UARTO、GSM_UARTl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_UARTO作為AT指令口使用，回顯數(shù)據(jù)，對指令功能進行設置、執(zhí)行、測試、查詢等。
3．2GPS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NMEA—0183數(shù)據(jù)格式(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_UARTO串口對GPS單元進行控制和設置，以獲取相應的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。
3．2．1GPS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)。

3．2．2GPS信息由GPRS方式傳輸
①打開Server服務器模擬程序。
②設置本地端口號。
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：

3．2．3GPS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
；設置GPS數(shù)據(jù)以短信方式傳輸目的號碼

3．3GPS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1～65535，單位為s。

4GPS射頻性能調(diào)試
　　LNAUPG8231調(diào)試中所使用的GPS信號是由AgilentE4438CESG矢量信號發(fā)生器和409GPS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409GPS)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SiRFDemo3．86，用頻譜儀AgilentN8973A／N400A(NoiseSource)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(參考接收機設計)大約有3．OdB的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，如表1所列。

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1575．42MHz的S參數(shù)(S11=一2．8，S21=13．4，S22=一5．6，S12=一30)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。

　　GSC3f／LP定位所需要GPS信號的C／N為28dB以上。本模塊在SiRFDem03．86軟件上測試的性能為：當?shù)刃л斎牍β蕿橐?20dBm時，C／N為49dB，當輸出功率為一136dBm時，C／N為35dB。Coretek自己做的另一款GPS模塊用BGA615：一120dBm時C／N為47dB，一136dBm時C／N為32dB，NF為2．8dB。
　　最終LNA在1575．42MHz時的S參數(shù)為：Sll=一14．6dB，S21=16．7dB，S22=一6．OdB，S12=一37．2dBNF=2．2dBo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CableLoss無法補償?shù)?，LNA的增益在19dB左右，LNA的真實NF應該在1．4dB左右。
表2是對NEC的評估板實測情況(儀器為AgilentN8973A／N400A)：

　　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，我們認為設計取得了理想的效果，是比較成功的。
(3)首次定位時間TTFF如表3所列。

5系統(tǒng)設計中的缺陷
　　原因：設計中由于把GPS_TXDl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仿真也預見了這種危險。
　　問題一：當GSMVBAT為OV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，PinM5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。

　　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800μs，幅度為4．09V；GPS復位信號的上升時間為1．44ms，幅度為1．8V。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)設計中沒有復位GPS用的Flash)。