隨著越來(lái)越多的設(shè)備變得移動(dòng)，定位是嵌入式設(shè)計(jì)中越來(lái)越重要的一部分。將此功能添加到必須更小，更輕且電池壽命更長(zhǎng)的設(shè)備中是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，在滿足項(xiàng)目時(shí)間表和認(rèn)證機(jī)構(gòu)的要求的同時(shí)，實(shí)施高性能，低功耗的有效無(wú)線設(shè)計(jì)也面臨著挑戰(zhàn)。

新一代正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)使用最新小型化技術(shù)的無(wú)線模塊利用全球各種全球定位系統(tǒng)（GPS），GPS模塊的占地面積在過(guò)去幾年中急劇下降。

GPS有幾個(gè)品種，包括美國(guó)GPS，歐洲伽利略，俄羅斯GLONASS和中國(guó)北斗系統(tǒng)。來(lái)自各種供應(yīng)商的現(xiàn)代無(wú)線芯片組可以訪問(wèn)所有這些衛(wèi)星系統(tǒng)，硅制造技術(shù)的進(jìn)步提供了對(duì)所有這些系統(tǒng)的訪問(wèn)。

然而，這些設(shè)備仍然必須集成到設(shè)計(jì)中，有些關(guān)鍵部件如SAW濾波器無(wú)法集成到硅片中，因此限制了純硅片的小型化程度。

硅器件的集成有助于降低功耗，盡管RF和數(shù)字集成存在挑戰(zhàn)，但這意味著最先進(jìn)的工藝技術(shù)并不合適。還存在靜電流泄漏的問(wèn)題，其增加了系統(tǒng)中的功率和噪聲處理，這意味著需要更多功率來(lái)獲得所需的性能。更高的功耗意味著產(chǎn)生更多的熱量和更大的電池;兩者都限制了可能的小型化程度。

這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)?a target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等應(yīng)用程序的GPS模塊的使用可能依賴于追蹤高價(jià)的小標(biāo)簽。世界各地的價(jià)值物品 - 標(biāo)簽越小，跟蹤系統(tǒng)就越有效。該系統(tǒng)可能還需要使用微型電池運(yùn)行數(shù)年，這使得功耗成為尺寸和性能的關(guān)鍵因素。

同樣，對(duì)于可穿戴系統(tǒng)，客戶要求終端系統(tǒng)不顯眼，非侵入式，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)盡可能小和節(jié)能。

雖然人們認(rèn)為GPS設(shè)計(jì)的最佳實(shí)現(xiàn)是板上的定制實(shí)現(xiàn)，但模塊制造商允許將更多技術(shù)集成到一個(gè)小型封裝中，不僅可以減少整體占用空間，他們還提供預(yù)先認(rèn)證的組件，以減少項(xiàng)目的合規(guī)時(shí)間并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

能夠?qū)⑿酒?jí)封裝用于接收器和電源管理芯片，并將其他無(wú)源器件集成到針對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化的基板中，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用成本更低的雙層打印可以輕松制造的電路板，而不是一種能夠提高制造工藝公差的復(fù)雜定制設(shè)計(jì)。

這是生產(chǎn)這種推動(dòng)小型化極限的電路板的關(guān)鍵問(wèn)題。為了獲得具有定制布局的最小設(shè)計(jì)，芯片級(jí)IC和分立元件意味著突破制造公差的極限，增加了單元問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)并降低了產(chǎn)量。降低保護(hù)容差也會(huì)對(duì)RF前端產(chǎn)生更大的影響，可能會(huì)增加噪聲并影響整體性能。

Telit是機(jī)器對(duì)機(jī)器系統(tǒng)的主要供應(yīng)商，因此應(yīng)用了最新的小型化技術(shù)，最新的GPS模塊。

Jupiter JF2尺寸為11 x 11 x 2.6 mm，采用32引腳焊盤QFN（四方扁平無(wú)引腳）封裝，重量?jī)H為1克，可集成到重量嚴(yán)重的系統(tǒng)中。 JF2的核心是SiRFstarIV集成硅接收器，它與其他關(guān)鍵組件相結(jié)合。

該模塊的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它可以與Telit的蜂窩和短程無(wú)線模塊無(wú)縫集成為機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)計(jì)提供靈活的解決方案。 1.8 V電源和低功耗模式使其可用于從車隊(duì)監(jiān)控到電池供電健身設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

圖1：Telit的Jupiter JF2模塊尺寸為11 x 11 x 2.6 mm。

盡管體積小，但該模塊已經(jīng)過(guò)優(yōu)化以提供靈敏度穩(wěn)定性，特別是在-40和85°C的極端情況下，在采集時(shí)保持低至-147 dBm的性能，在跟蹤衛(wèi)星信號(hào)時(shí)保持-163 dBm。它還提供單衛(wèi)星采集UTC時(shí)間信號(hào)以及48通道信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)處理。

微型GPS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一是它能夠以多快的速度獲得修復(fù)衛(wèi)星。 JF2具有多種待機(jī)模式，包括TricklePower，Push-To-Fix和Micro Power，旨在滿足位置更新和功耗之間的不同要求。所有這些模式都相似，但提供不同的輸出速率和可靠性，從休眠模式下的14μA到跟蹤模式下的10 mA。

該模塊還具有TricklePower工作循環(huán)模式和用戶可選擇的位置更新間隔，以降低的平均電流消耗提供高質(zhì)量的GPS精度和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。 Push-to-Fix模式提供不頻繁的周期性位置更新，并且還允許來(lái)自用戶的位置請(qǐng)求具有較短的首次定位時(shí)間（TTFF）。微功耗模式使接收器保持在熱啟動(dòng)條件下，同時(shí)最大化在極低功耗狀態(tài)下所花費(fèi)的時(shí)間。

集成模塊必須盡可能簡(jiǎn)單，JF2具有1.8 V單電源，具有故障安全I(xiàn)/O，包括RTC和TCXO輸入以及主機(jī)I2C，SPI和UART支持，以及可選SPI閃存或串行EEPROM外部存儲(chǔ)器，可安裝在經(jīng)濟(jì)高效的雙層電路板上。

來(lái)自Embedded Artists的FGPMMOPA6H使用MediaTek的MT3339 GPS芯片組，其靈敏度為-165 dBm，具有低功耗的即時(shí)首次定位（TTFF），可實(shí)現(xiàn)精確的GPS信號(hào)處理。

圖2：嵌入式藝術(shù)家的FGPMMOPA6H模塊。

3.3 V 15 x 15 mm模塊針對(duì)平板電腦等手持設(shè)備，以及M2M應(yīng)用和資產(chǎn)管理和跟蹤，并使用POT（Patch On Top）架構(gòu)。這將微帶天線放置在陶瓷模塊的頂部以獲得緊湊的解決方案，但該模塊還增加了額外的外部天線I/O.為了幫助獲得最佳性能和最低功耗并支持最小尺寸，該模塊還具有自動(dòng)天線切換功能，短路保護(hù)和“天線顧問(wèn)”，可幫助檢測(cè)和通知不同的天線狀態(tài)，包括有源天線連接，天線開(kāi)路和天線短缺。

多達(dá)12個(gè)多音有源干擾消除器選項(xiàng)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，該模塊最多支持210個(gè)通道 - 66個(gè)用于搜索和22個(gè)同步跟蹤通道。

所有這些都有助于實(shí)現(xiàn)82 mW的采集功耗，跟蹤功耗為66 mW。

Taiyo Yuden的3.3 V GYSFFMAXX GPS模塊同樣使用MediaTek GPS接收器MT3329，并集成了晶體，振蕩器，SAW濾波器和低噪聲放大器，使系統(tǒng)小型化，占地面積為10.8 x 10 mm，高2 mm高屏蔽。

圖3：Taiyo Yuden的金屬屏蔽GYSFFMAXX GPS模塊。

一些模塊也旨在使原型設(shè)計(jì)更容易。如果您已經(jīng)使用Mikroelektronika的MikroBus板系統(tǒng)，那么可以使用GPS模塊。 GPS Click附件板使用17 x 22 mm LEA-6S u-blox 6模塊，采用3.3 V電源供電。電路板可以通過(guò)UART或I 2 C與微控制器連接，也可以通過(guò)USB連接使用PC應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)。

圖4：在MikroBus原型系統(tǒng)中使用LEA-6S GPS模塊。

結(jié)論

隨著對(duì)小型化的需求，GPS模塊的占地面積一直在下降M2M和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的增加。從17 x 22 mm模塊向下移動(dòng)到10 x 10 mm，現(xiàn)在為5 x 5 mm，這是硅片集成度提高和電壓降低的結(jié)果。

轉(zhuǎn)向較小的模塊需要更多地關(guān)注噪聲和電源管理，但允許具有有限RF體驗(yàn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在空間非常寶貴的情況下快速輕松地添加定位功能?，F(xiàn)在可以集成SAW濾波器，放大器甚至貼片天線，而不會(huì)增加制造工藝的復(fù)雜性，使用這些模塊來(lái)維護(hù)簡(jiǎn)單的雙層電路板設(shè)計(jì)并減少合規(guī)性所需的時(shí)間。