基于单片机的GPS接收机的硬件设计

简介

随着GPS（全球定位系统）发展到今天，其使用变得越来越广泛，技术和用户需求的进步也不断促进GPS系统的增强. 美国目前正在致力于GPS Block II系统的现代化和“ GPS-III”计划，该计划旨在全面提高GPS的生命力，准确性，可用性，完整性，灵活性和安全性.

GPS用户设备也在不断地升级和发展. 从的结构角度来看gps 集成芯片，随着VLSI（超集成电路）和DSP技术的发展，单通道顺序，时分多路复用已长期被使用DSP模块的并行多通道所取代. 可实现的信道和等效相关器的数量不断增加，带有嵌入式MPU / MCU的集成GPS基带处理器芯片成为主流，并且集成了射频和数字处理功能的单芯片产品也已经问世.

本文介绍了单芯片GPS的硬件设计. 该解决方案使用Hammerhead芯片，该芯片集成了射频和基带GPS功能，具有低功耗，高性能和小尺寸的特点.

锤头

Hammerhead是由Infineon Technologies和Global Locate开发的高度集成的单芯片GPSIC. 它集成了一个低噪声放大器，混频器，自动增益控制器，A / D，线性稳压器，锁相环，数字基带. 由于其非常的集成，因此在Hammerhead芯片之外仅需要几个组件即可形成GPS，从而大大降低了组件成本和PCB面积. Hammerhead使用并行相关技术来接收卫星在八个并行信道上发送的信号，并将它们与32,000多个相关器中的参考代码进行比较. 与车辆导航系统中常用的相比，该技术可以大大缩短首次定位时间，并可以大大降低功耗. Hammerhead具有结构灵活的PLL，并巧妙地使用了手机设计中当前使用的功能单元，例如用于高精度参考时钟频率（10〜40MHz）和实时时钟频率（32,768kHz）的晶体振荡器. 支持3G，GSM，CDMA手机应用. 片上LNA允许将无源或有源天线连接到Hammerhead. 标准的UART端口，SPI和I2C接口，因此可以与任何目标系统连接.

Hammerhead提供6种功耗模式，每分钟定位一次时功耗可低至0.3mW. 除了传统的GPS定位功能外，Hammerhead还支持A-GPS，LTO和其他工作模式. 当室内或野外GPS卫星信号非常弱或无法接收GPS信号时，它也可以定位.

GPS硬件设计

RF前端

图1和图2分别是使用无源天线和有源天线时RF前端的电路图.

使用低增益（10-15dB）无源天线时，需要对接收到的GPS信号进行滤波并发送到Hammerhead的LNA. Global Locate建议使用Epcos的B9000 SAW滤波器. LNA的输入和输出引脚需要匹配阻抗为50Ω的匹配网络. 同样，LNA的输出还需要使用滤波器来抑制带外信号，然后再将其发送到混频器. Global Locate建议使用Epcos的B7840 SAW滤波器. 滤波器输出的平衡差分信号对可以直接发送到锤头混音器差分输入引脚.

如果使用高增益（25至30dB）有源天线，则无需使用内部LNA，并且在B7840滤波之后，将接收到的GPS信号直接发送到混频器. 由于需要给天线供电，因此天线电源处使用LC滤波（L1，C2）来滤除电源输入的高频噪声. C3用于直流阻隔，以防止直流偏置进入混频器. 另外，有必要注意增加一个适当的衰减器，以防止混频器过载. 假设混频器输入信号的最大增益为18dB，天线的增益为28dB，天线电缆的衰减为1.4dB / m，长度为3mgps 集成芯片，则可以使用T型电阻衰减网络添加，其衰减系数为28-18-3×1.4≈5dB.

参考时钟

锤头使用两种类型的时钟. 一个是参考时钟，范围从10到40MHz，可以来自外部系统的时钟输入，也可以由独立的时钟IC产生. 由于时钟是提供给内部锁相环，射频模块，数字基带和相关器以及芯片中的其他模块的，因此时钟偏移要求在2.5ppm以内. 如果偏移量太大，则不足以确保信号跟踪和锁定. 因此，建议使用26MHz TCXO，具体电路如图3所示.

L1的作用是过滤掉电源噪声对TCXO输出信号的影响.

另一个时钟是RTCCLK，用于在低功耗模式下唤醒Hammerhead. 时钟大小要求为32.768KHz，可以由普通的有源晶体振荡器或片外系统时钟源生成.

电源设计

锤头总共需要三个电源: 核心电压（1.5V），射频电压（1.8V）和逻辑电压（2.5V / 2.8V / 3.3V）. 芯片内部有相应的线性稳压器，可以简化电源设计. 在设计电源电路时，您可以根据整个系统的功耗，功耗要求以及Hammerhead中的功耗，决定是否使用内部线性稳压器以及使用多少逻辑电平. 其他要注意的地方是:

*每个电源输入引脚必须至少具有一个0.1mF陶瓷滤波电容器；

*当核心电压工作时，需要较大的瞬态电流. 在电网中添加一个10mF电容器接地，以提供更好的功率响应；

*请注意区分模拟和数字电源，并使用磁珠隔离模拟和数字电源. 特别是，RF部分对电源噪声极为敏感. 如有必要，可以使用一个具有1.8V输出的LDO来为RF供电.

数字I / O

锤头具有三个串行接口: 标准UART端口，I2C端口和SPI端口. 其中，I2C和SPI端口的引脚与UART的引脚复用. 您可以通过设置Hammerhead中OMS [2: 0]的三个引脚的逻辑电平状态来选择要使用的接口.

PCB设计

由于GPS包含射频信号，因此它的设计要比中低频信号的PCB板困难得多，因此需要注意以下几点:

* RF信号走线应尽可能短且笔直，并且不应以直角布线；使用接地铜尽可能地隔离RF信号，以防止其他信号之间的串扰. 平衡差分信号的路径，使它们保持平行并具有相同的长度，这可以增强两者之间的耦合，并削弱与其他线路的耦合.

26MHz参考时钟信号的稳定性直接决定GPS接收机的性能. 接线时，信号应远离以下信号: 32.768KHz时钟，数字信号，射频信号；用铜地板围绕它可以提供良好的隔离效果，并且如果允许的话可以在接地层上布线； PLL的匹配网络应尝试将其放置在与其相连的引脚附近.

*滤波电容应尽可能靠近相应的电源引脚放置；为了确保电源层的稳定性，应尽可能增加电源的覆铜面积，减小覆铜间距是一种有效的方法;尽可能使用接地通孔将顶层和底层的接地铜与功率分配层上的铜层相连，以确保接地上的铜层足够稳定，可以更好地隔离. 模拟电源和数字电源应在两个结的交界处隔离加磁珠，以防止相互干扰. 连接电源和地面的电线应尽可能粗.

*有数据表明GPRS，CDMA和其他无线通信模块的射频信号以及LCD的143次谐波会影响GPS接收机的操作. 这些信号称为基带噪声. 消除这些噪声影响的最简单方法是使用金属盖来屏蔽RF电路和Hammerhead芯片. 此外，在TCXO外部安装屏蔽罩，以防止TCXO的输出频率因气流变化引起的温度突然变化而产生偏差.

结论

基于锤头的GPS具有低成本，低功耗和优越性能的特点. 高集成度导致极少的组件安装在芯片外部，从而节省了大量PCB空间并降低了组件成本. 添加内部LNA和PLL不仅降低了成本，而且降低了整个系统的功耗. 通过该软件，您可以选择使用有源或无源天线，还可以将芯片设置为可在GPS，A-GPS，LTO和其他模式下工作，非常适合在移动电话，PDA等嵌入式领域中使用. 以及设备. 目前，我们已经使用Hammerhead在野外勘探手持设备中实现GPS定位功能. 它在PCB上的电路面积为25mm×20mm；功耗小于0.1W；冷启动时第一次定位时间小于60s，热启动时小于10s. 定位精度为5m.

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