基于Spreadtrum和SiRF的 GSM+GPS模塊設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)既可分別獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展，可以實(shí)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(luò)自恢復(fù)機(jī)制4個部分，如圖2所示。

　　GSM／GPRS單元使用GSM_UART2接收標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置指定的傳送方式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)對接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行控制，例如控制GPS輸出的波特率和匯報(bào)時間等。當(dāng)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(dǎo)致GPS數(shù)據(jù)傳送被迫中斷，GPRS自恢復(fù)機(jī)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
3．1GPS單元與GSM／GPRS單元獨(dú)立工作模式
GPS單元與GSM／GPRS單元的獨(dú)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(dú)立的兩個個體，兩者可以脫離對方依賴單獨(dú)運(yùn)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(bào)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(dú)立的實(shí)體，且提供一個端口GPS_UART0供用戶使用。GPS_UARTO口既可輸出標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立的實(shí)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(jìn)行設(shè)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的NMEA—0183數(shù)據(jù)格式(以“$”開頭和*cc結(jié)尾，cc為2位十六進(jìn)制校驗(yàn)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(kuò)展性，方便用戶通過GSM_UARTO串口對GPS單元進(jìn)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(jìn)行本地回顯或者遠(yuǎn)程匯報(bào)。
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(shí)現(xiàn)。

3．2．2GPS信息由GPRS方式傳輸
①打開Server服務(wù)器模擬程序。
②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：

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(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

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。可以生成多達(dá)8個實(shí)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(jìn)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(dǎo)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(yùn)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(biāo)
(1)系統(tǒng)噪聲系數(shù)
SirfstarIII的整個接收回路(參考接收機(jī)設(shè)計(jì))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(xì)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(dāng)?shù)刃л斎牍β蕿橐?20dBm時，C／N為49dB，當(dāng)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(bǔ)償?shù)?，LNA的增益在19dB左右，LNA的真實(shí)NF應(yīng)該在1．4dB左右。
表2是對NEC的評估板實(shí)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(jì)，從而帶來一些測量誤差?？紤]到這些測量誤差的影響，我們認(rèn)為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的缺陷
　　原因：設(shè)計(jì)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(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)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(xiǎn)。
　　問題一：當(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)位鍵后有輸出。
　　GSM復(fù)位信號的上升時間為800μs，幅度為4．09V；GPS復(fù)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(rèn)為是GPS電源部分的上電時序的問題，導(dǎo)致GPS復(fù)位不充分(即系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒有復(fù)位GPS用的Flash)。