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Academic explanation of a GPS REceiver system

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    GPS Receiver GPS Receiver Document Transcript

    • RECEPTOR GPSSubsistemas Electrónicos de Comunicaciones Curso 2009-2010 Javier Cambra Enguix Marc Tena Gil
    • 1 Índice1. Índice2. Introducción3. Cómo funciona el sistema GPS 3.1. Principio de funcionamiento del GPS 3.2. Arquitectura del sistemas GPS 2 3.3. Cálculo de la distancia entre el receptor y los satélites 3.4. Fuentes de error 3.5. Calculo de errores mediante técnicas diferenciales (DGPS)4. Receptor GPS 4.1. Diagrama de bloques5. Recepción de la señal del satélite 5.1. Antena de un GPS 5.2. Filtro SAW 5.3. Amplificador LNA 5.4. Sintetizador de frecuencia 5.5. Reloj del sistema 5.6. ADC6. Procesado de la información 6.1. DSP/CPU 6.2. Memorias7. Interfaz de entrada y salida 7.1. Display LCD táctil 7.2. Controlador de pantalla táctil 7.3. CODEC de Audio 7.4. Puertos de entrada y salida USB e IrDA8. Alimentación del sistema 8.1. LDO (low-dropout) 8.2. DC/DC Boost Converter 8.3. DC/DC Buck Converter 8.4. Supply Voltage Supervisor 8.5. Battery Power Managemenet & Integrated Power Management9. Conclusiones10. Bibliografía y referencias
    • 2 IntroducciónEl Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de localización, diseñado por elDepartamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares para proporcionarestimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo; operativo desde 1995 utilizaconjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 27 satélites (24 operativos y3 de respaldo) para determinar por triangulación, la altitud, longitud y latitud de cualquierobjeto en la superficie terrestre.En el ámbito civil y por razones de seguridad sólo se permite el uso de un subconjuntodegradado deseñales GPS. Sin embargo se han encontrado alternativas para obtener una excelente precisión 3enla localización mediante las técnicas diferenciales. Gracias a ellas las aplicaciones civiles hanexperimentado un gran crecimiento.3 Cómo funciona el sistema GPS3.1 Principio de funcionamiento del GPSCada satelite de la constelacion lleva un reloj atómico que mide el tiempo con gran precisión.Este tipo de relojes son extremadamente precisos ya que basan su funcionamiento en lafrecuencia de una vibración atómica. El satélite emite señales personalizadas que indican la hora en que partieron del satélite. Entierra, un receptor o nevegador tiene guardadas en su memoria las coordenadas exactas de lasórbitas de todos los satélites de la constelación.Sabiendo que en el vacio una onda electromagnetica se propaga a la velocidad de la luz, esdecir 299.338km/s. Al recibir la señal un navegador puede reconocer el satélite que la haemitido, determinar el tiempo que ha tardado en llegar y calcular con exactitud a que distanciase encuentra del satélite aplicando la formula, Distancia = Velocidad x Tiempo.Si un navegador en tierra recibe señales de por lo menos cuatro satélites simultáneamente,podrá calcuar su posición exacta.En la práctica, las ondas electromagnéticas sufren alteraciones en la velocidad dependiendo delas condiciones atmosféricas. El receptor GPS debe realizar complejos cálculos matemáticospara obtener la velocidad a la que viaja la onda en ese momento.Se utilizan tres satélites para calcular la posición del navegador. Cada satélite determina unaesfera imaginaria en la que él mismo ocupa el centro.El navegador que busca ubicar su posición capta la señal de un satélite que le indica a quédistancia de éste se encuentra dentro de la esfera.Si se suma un segundo satélite, en la interesección de ambas esferas se establece un área encuyo interior se encuentra el navegador.
    • Combinando tres satélites se determina un punto común donde se encuentra el navegadorcuya posición se quiere determinar.Para que el cálculo de la distancia sea exacto, los receptores deberían contar también con unreloj atómico, pero no es posible debido a su elevado coste. Los navegadores cuentan conrelojes de cuarzo, menos exactos. Esto les obliga a realizar una serie de cálculos de correción,razón por la cual se utiliza un cuarto satélite.Si el cálculo es correcto, la esfera del cuarto satélite intercepta en el mismo punto que las otrastre dando la latitud, longitud y altitud exactas del navegador.Si la cuarta esfera no intercepta exactamente en el punto, el cálculo es incorrecto. La distancia 4de la cuarta esfera al punto indica al receptor què cálculo debe corregir para ser posicionadcorrectamente.3.2 Arquitectura del sistemas GPSEl GPS funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbitasobre el globo, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie dela Tierra.El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:Sistema de satélites. Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrirtoda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren apartir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.Estaciones terrestres. Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas yrealizar el mantenimiento de toda la constelación.Terminales receptores. Indican la posición en la que están; conocidas también como GPS.En el cálculo de las pseudodistancias hay que tener en cuenta que las señales GPS son muydébiles y se hallan inmersas en el ruido de fondo inherente al planeta en la banda de radio.Este ruido natural está formado por una serie de pulsos aleatorios, lo que motiva la generaciónde un código pseudo-aleatorio artificial por los receptores GPS como patrón de fluctuaciones.En cada instante un satélite transmite una señal con el mismo patrón que la serie pseudo-aleatoria generada por el receptor. En base a esta sincronización, el receptor calcula ladistancia realizando un desplazamiento temporal de su código pseudo-aleatorio hasta lograr lacoincidencia con el código recibido; este desplazamiento corresponde al tiempo de vuelo de laseñal. Este proceso se realiza de forma automática, continua e instantánea en cada receptor
    • La utilización de estos códigos pseudo-aleatorios permite el control de acceso al sistema desatélites, de forma que en situaciones conflictivas se podría cambiar el código, obligando atodos los satélites a utilizar una banda de frecuencia única sin interferencias pues cada satéliteposee un código GPS propio.Aunque la velocidad de los satélites es elevada (4 Km./s), la posición instantánea de losmismos puede estimarse con un error inferior a varios metros en base a una predicción sobrelas posiciones anteriores en un período de 24a 48 horas. Las estaciones terrestres revisan periódicamente los relojes atómicos de los 5satélites, dos de cesio y dos de rubidio, enviando las efemérides1 y las correcciones de losrelojes, ya que la precisión de los relojes y la estabilidad de la trayectoria de los satélites sonclaves en el funcionamiento del sistema GPS.3.3 Fuentes de errorA continuación describimos las fuentes de error que en la actualidad afectan de formasignificativa a las medidas realizadas con el GPS:Perturbación ionosférica. La ionosfera está formada por una capa de partículas cargadaseléctricamente que modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan.Fenómenos meteorológicos. En la troposfera, cuna de los fenómenos meteorológicos, el vaporde agua afecta a las señales electromagnéticas disminuyendo su velocidad. Los erroresgenerados son similares en magnitud a los causados por la ionosfera, pero su corrección esprácticamente imposible.Imprecisión en los relojes. Los relojes atómicos de los satélites presentan ligeras desviacionesa pesar de su cuidadoso ajuste y control; lo mismo sucede con los relojes de los receptores.Interferencias eléctricas imprevistas. Las interferencias eléctricas pueden ocasionarcorrelaciones erróneas de los códigos pseudo-aleatorios o un redondeo inadecuado en elcálculo de una órbita. Si el error es grande resulta fácil detectarlo, pero no sucede lo mismocuando las desviaciones son pequeñas y causan errores de hasta un metro.Error multisenda. Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reflexiones antesde alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas de proceso deseñal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que resulta muy difícil demodelar al ser dependiente del entorno donde se ubique la antena GPS.Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A". Constituye la mayor fuente de error y esintroducida deliberadamente por el estamento militar.
    • Topología receptor-satélites. Los receptores deben considerar la geometría receptor-satélitesvisibles utilizada en el cálculo de distancias, ya que una determinada configuración espacialpuede aumentar o disminuir la precisión de las medidas. Los receptores más avanzadosutilizan un factor multiplicativo que modifica el error de medición de la distancia (dilución de laprecisión geométrica)Las fuentes de error pueden agruparse según que dependan o no de la geometría de lossatélites. El error debido a la Disponibilidad Selectiva y los derivados de la imprecisión de losrelojes son independientes de la geometría de los satélites, mientras que los retrasosionosféricos, troposféricos y los errores multisenda dependen fuertemente de la topología. Loserrores procedentes de las distintas fuentes se acumulan en un valor de incertidumbre que va 6asociado a cada medida de posición GPS.3.4 Calculo de errores mediante técnicas diferenciales (DGPS)En aplicaciones que no requieren gran precisión se puede utilizar un receptor con un únicocanal y bajo coste, que calcula la distancia a cuatro satélites en un intervalo de 2 a 30segundos. Ahora bien, la precisión de las medidas se ve afectada por el movimiento del satélitedurante el cómputo y por el tiempo que se tarda en obtener las posiciones, debido a lecturasrepetitivas de todos los mensajes de la constelaciónEl requerimiento de una localización precisa y continua en tiempo real, ha conducido aldesarrollo de receptores con un mayor número de canales (8-12) capaces de disminuir almáximo el error de localización utilizando los métodos de posicionamiento diferencial. Así, unreceptor GPS ubicado en una posición conocida de la Tierra calcula su distancia a un conjuntode satélites; la diferencia entre la posición calculada y la localización exacta del receptorconstituye el error en la medida. Este error se transmite en un código predefinido (RTCM RadioTechnical Commision Maritime) y cualquier usuario-receptor con capacidad de correccióndiferencial puede acceder a él para corregir su posición. Esta técnica elimina prácticamente loserrores S/A siempre que el receptor diferencial esté próximo a la base emisora de lacorrección.Las correcciones pueden enviarse desde una estación base propiedad de los usuarios, desdeuna estación base virtual (por ejemplo el servicio Omnistar) y vía estaciones de radiocomerciales (Rasant). En todos estos casos el modo de operación del DGPS se denomina deárea global (WADGPS) ya que el error debido a cada satélite se procesa de modo individual.
    • 4 Receptor GPS4.1 Diagrama de bloques 7
    • 5 Recepción de la señal del satélite5.1 Antena del GPSLos receptores GPS utilizan antenas del tipo omnidireccional. Hemos elegido una antena GPSde la marca DISTCOM ANTENAS, serie AAP-1000.Esta en concreto tiene un diagrama de radiación del tipo Omniacimutal con una elevación de 840º a 90º. Dadas las características móviles del receptor, debemos tener una antena con undiagrama lo más omnidireccional que podamos para poder recibir la mayor cantidad de señalposible en todas las direcciones.El tipo de polarización es circular a Derechas con una relación axial <3dB. La ganancia varíadesde los 5dB de la variante pasiva hasta los 30dB (antena + amplificador) de las variantesactivas más potentes. Las antenas activas utilizan un amplificador LNA (Low Noise Amplifier)que garantiza niveles mínimos de ruido.Este tipo de antenas activas GPS omnidireccionales pueden ser alimentadas con tensiones enel rango de 3 a 5 voltios, niveles de salida comúnmente suministrados por la mayoría dereceptores.CARACTERÍSTICASGanancia [5dBi - 30dB] según variantePolarización RHCP (Circular a derechas)Relación axial <3dBDiagrama deradiaciónOmniacimutal40º a 90º en elevaciónFrecuencia 1.559GHz-1.591GHzVoltaje DC 3V-5V (Variantes activas)Impedancia 50 OhmiosEn la figura siguiente se muestra el diagrama de radiación que presentaría esta antena.
    • 5.2 Filtro SAWLa necesidad de altas prestaciones y la tendencia cada vez mayor de reducir las dimensioneshacen que en las últimas décadas los filtros acústicos hayan tomado el mercado de los filtrosde radiofrecuencia. Hoy en día los filtros SAW (Surface Acoustic Wave) son los dominadoresdel mercado 9Los filtros cerámicos son los clásicos filtros de microondas que usan elementos distribuidos.Estos elementos son stripline o microstrip, y reducen las perdidas considerablemente respectoa los filtros de elementos discretos, especialmente a altas frecuencias.El problema que plantean estos filtros es su excesivo tamaño. Este inconveniente ha motivadola investigación de otros métodos para la realización de filtros como el uso de ondas acústicas.En los filtros acústicos no se propaga una onda electromagnética, como sucede en los filtroscerámicos. En este tipo de filtros la onda es acústica y la velocidad de propagación de la ondaacústica en los materiales que se usan para la realización de estos filtros es muy baja enproporción a la velocidad de propagación de la onda electromagnética, del orden de 104 vecesmenor.Los dispositivos SAW están constituidos por unas estructuras metálicas que reciben el nombrede transductores interdigitales (IDTs) colocadas sobre un sustrato piezoeléctrico.En este tipo de dispositivos se aplica una tensión eléctrica en la entrada que produce una seriede campos eléctricos entre los IDTs, que a su vez crea una tensión mecánica entre ellos. Estastensiones mecánicas se comportan como fuentes de ondas acústicas. Si la distancia entre losfingers de un mismo lado corresponde a la longitud de onda a la frecuencia de trabajo del filtrolas ondas acústicas se sumarán en fase y crearan una onda de longitud mayor [2]. En el lado de
    • la salida sucederá el proceso inverso: las ondas acústicas producirán campos eléctricos quegenerarán una tensión a la salida.Estos filtros proporcionan buena estabilidad, bajas perdidas de inserción, poca distancia entrela banda de paso y la de rechazo del filtro y un tamaño muy reducido. Por otra parte tienen losinconvenientes de que no funcionan correctamente a frecuencias por encima de 2.5 GHz, noes recomendable exceder 1 W de potencia por problemas de sobrecalentamiento y el sustratopiezoeléctrico que usan no es compatible con los procesos de fabricación actuales.Una vez dada una pequeña introducción teórica elegiremos un SAW disponisble en elmercado. La frecuencia central de la banda comercial del GPS es de 1575.42 Mhz. Insert PB 10Fo Oscilent Part Number BW Loss Ripple[MHz] [ pdf spec ] [MHz] [dB] [dB]1575.42 801-RF1575.42M-D ±1.0 1 0.1 801-RF1575.42M-G ±1.0 1.7 0.3 800-RF1575.42M-G ±1.0 1.7 0.1Para nuestro diseño hemos elegido 3 tipos de filtro SAW de la marca Oscilent, especialmenteindicados para nuestra aplicación de GPS en banda comercial. De estos 3 nos quedamos con elModelo 801-RF1575.42M-D ya que presenta un rizado y unas perdidas de paso menores encomparación a los otros dos.OPERATING CONDITIONS / ELECTRICAL CHARACTERISTICSPARAMETERS Condition Minimum Typical Maximum UnitsCenter Frequency (Fo) - - 1575.42 - MHzMaximum Insertion Loss 1574.42~ 1576.42 MHz - 1.0 1.5 dBSource Impedence (single ended)* - - 50 - ohmLoad Impendance (single ended)* - - 50 - ohmVSWR 1574.42~ 1576.42 MHz - 1.1 1.5 -Amplitude Ripple 1574.42~ 1576.42 MHz - 0.1 0.5 dBp-pMaximum DC Voltage - - - 7.5 VMaximum Input Power - - - 20 dBmOperating Temperature - -40 - +85 ºC
    • La impedancia de fuente y de carga de filtro es de 50ohm, por tanto se adecua a lasespecificaciones de impedancia de la antena elegida anteriormente.5.3 Amplificador LNALas siglas LNA significan Low Noise Amplifier. Este tipo de amplificador se usa cuando la señalque debemos amplificar es tan débil que debe tener un factor de ruido muy pequeño.La señal procedente procedente del satélite llega al receptor GPS con una potencia de 11alrededor de -130dBmPara este caso hemos elegido un Amplificador LNA de la marca NEC especialmente indicadopara aplicaciones GPS y Wireless.De esta gama de amplificadores hemos elegido el uPC2746T ya que su frecuencia central es de1.5Ghz, es decir, está centrado en la banda de GPS comercial.
    • En la tabla anterior vemos que las especificaciones del LNA se adecuan a nuestro diseño encuanto a tensión de alimentación, impedancia de fuente y carga, etc.5.4 Sintetizador de frecuenciaPara implementar el bloque del sintetizador de frecuencia hemos elegido el UPB1005GStambién de la marca NEC. Este sintetizador está indicado para aplicaciones GPS y contienetodos los bloques que necesitamos para nuestro diseño. 12En la siguiente tabla observamos los valores de tensión y frecuencias de referencia quedeberemos aplicar al circuito integrado.
    • 13El sintetizador de frecuencia será el bloque encargado de seleccionar el canal o canales derecepción del sistema.Los osciladores LC y a cristal de cuarzo presentan ventajas y desventajas. Para los osciladoresLC, tenemos la posibilidad de variar la frecuencia pero con muy poca estabilidad de esta, encambio los osciladores a cristal de cuarzo presentan una muy buena estabilidad en frecuenciapero muy poca variabilidad de la misma.Otro de los motivos por el cual usamos este tipo de circuito, es que los osciladores de cristal decuarzo tienen frecuencias de resonancia relativamente bajas, entorno al los pocos MHz,usando un sintetizador de frecuencia podremos conseguir frecuencias elevadas como es elcaso del GPS a partir de la frecuencia de referencia del oscilador.Esto lo conseguimos con un PLL donde en la realimentación insertamos un prescaler,normalmente programable. En nuestro diseño hemos puesto un prescaler fijo.5.5 Osciladores de CuarzoPara lograr las frecuencias de referencia del aparatado anterior necesitamos colocar entre lospines pertinentes unos circuitos resonantes muy estables. Utilizaremos los cristales de cuarzotal y como hemos indicado anteriormente.En la siguiente figura vemos cual sería el equivalente circuital del cristal de cuarzo.
    • Los siguientes esquemas son los que normalmente se usan a la hora de implementarosciladores. La figura de la izquierda corresponde a la estructura en modo paralelo mientrasque la figura de la derecha se trata de un oscilador en modo serie. 14La siguiente figura muestra la grafica de la Impedancia del Cristal de cuarzo. Nosotros vamos atrabajar en la zona de resonancia paraleloCircuitos Osciladores SerieUn circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar ensu frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentaciónLos circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan,pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en larealimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuenciaimpredecible.Circuitos Osciladores ParaleloUn circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valorespecífico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayorque la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo.Este circuito utiliza un inversor simple para hacer el oscilador, donde R1 y R2 cumplen lasmismas funciones que en el circuito del oscilador resonante serie, con dos capacitores en larealimentación, que componen la capacidad de carga y en conjunto con el cristal darán lugar ala frecuencia a la cual oscilará el circuito.
    • El cristal resonante paralelo estará especificado para trabajar con una deteminada capacidadde carga a la frecuencia deseada y con la tolerancia y estabilidad deseadas. La capacidad decarga para el cristal en este circuito puede ser calculada con la siguiente fórmula: Cs es la capacidad parásita del circuito y normalmente se estima entre 3pf a 10pf. La CL vendrá indicada por el fabricante del cristal de cuarzo y será trabajo nuestro el elegir el valor de C1 y C2. 15A continuación vemos la grafica de la impedancia del cristal de cuarzo.5.6 ADCEl Convertidor Analógico Digital es un dispositivo electrónico capaz de convertir una entradaanalógica de voltaje en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformarseñales analógicas de entrada a digitales en la salida.En nuestro caso las señales procedentes de la primera etapa del sistema vendrán en formatoanalógico que deberemos convertir en digital ya que el CPU/DSP es un dispositivo digital.Para nuestro diseño hemos elegido el ADS7844 de Texas Instruments ya que se ajusta a lasespecificaciones de nuestro diseño. A continuación se muestra el esquema de bloques de estedispositivo, así como alguna de sus características principales.
    • 16En cuanto a las especificaciones observamos que este dispositivo puede alimentar con 2.7 y 5Vpor lo que es adecuado para nuestro sistema GPS.En la siguiente figura se observamos como el ACD envía los datos en serie a través de la salidaDOUT después de cada conversión. Estas muestras serán enviadas al procesador del sistema.
    • 6 Procesado de la información6.1 DSP/CPULa elección de un tipo determinado de CPU o DSP (Un DSP no es más que una CPUespecializada para realizar ciertas tareas más eficientemente) es complicada de llevar a cabosin tener unas especificaciones claras del sistema a implementar o sin tener unosconocimientos más profundos sobre todo el sistema GPS, para poder determinar así si es másnecesario por ejemplo que el micro pueda hacer en menos ciclos operaciones enteras, decoma flotante, etc. 17
    • La CPU/DSP va a ser el encargado de manejar todo el sistema: manejo de energía, controldisplays y leds, enviar señales a los diferentes controladores, de ordenar a los DAC y ADC quecumplan sus tareas, y una mucho más extensa lista.Buscando en la página de Texas Instruments se nos sugieren varios procesadores paraaplicaciones de GPS (solo se incluyen algunas características como muestra) CPU RISC Frequency(MHz) MMC/SD Core USB Supply (Volts) 18 AM3505(ARM 500 3 1.2 2 Cortex-A8) OMAP3503 (ARM 600 3 0.8 to 1.35 2 Cortex-A8 )6.2 MemoriasDe las memorias poco hay que comentar, simplemente habría que elegirlas de la capacidadnecesaria para almacenar los programas y los datos que necesite el sistema para funcionar(típico esquema microprocesador, con arquitectura Von Newman por ejemplo) y que cumplanlos requisitos temporales tanto del procesador como del resto de componentes del sistemaque necesiten tener acceso a ellas.En los bloques de memoria EPROM (no volátil) se almacena el código de programa para quepueda funcionar la CPU, tablas de datos, posiciones de los satélites, y otros valores que novarían.Bloque SRAM (memoria volátil que no requiere refresco, a diferencia de las RAM dinámicas)que se usan para el almacenamiento de datos como podrían ser la posición actual, y muchosotros datos que utiliza el sistema.Los bloques de FLASH son memoria no volátil en los que se puede escribir, al contrario que enla EPROM, en este tipo de bloques se suelen colocar las variables del sistema.Como último comentar el bloque MMC SmartCard, que se puede utilizar por ejemplo comoexpansión de la memoria interna del GPS o para añadir nuevos mapas que se lleven guardadosen dicha tarjeta.
    • 7 Interfaz de entrada y salida7.1 Display LCD táctilLas pantallas táctiles (Touch Panels) resistivas permiten detectar una pulsación o "toque" encualquier punto de su superficie generando una tensión proporcional al lugar donde se hayarealizado. El controlador asociado a ellas (Touch Control) se encarga de calcular, en función deesa tensión, las coordenadas X e Y que son transmitidas al controlador principal o Host.El display LCD táctil lo podemos conseguir superponiendo un panel táctil resistivo con una 19pantalla LCD convencional. El CPU será el encargado de gestionar el controlador de pantallatáctil.Hemos elegido el modelo HT057A-NDOFG45 que por sus dimensiones, 129.1 x 101.7 x 1.35mm, se adecua a los requerimiento de tamaño de nuestro receptor.Es una pantalla táctil (Touch Panel) resistiva de 4 hilos que conectaremos con el circuitocontrolador TSC2005 de texas instruments. El precio de este dispositivo táctil es de 16€
    • 7.2 Controlador de pantalla táctilEl TSC2005 es un controlador de pantalla táctil de muy baja potencia de la marca TexasInstruments.Está diseñado para trabajar con aplicaciones portátiles basadas en avanzados procesadores debajo voltaje. Trabaja con una tensión de alimentación de hasta 1.6V aunque también puedetrabajar a 3.3V.Contiene un completo conversos A/D de muy baja potencia, de 12 y un convertidor resistivo 20de pantalla táctil, que incluye los drivers y el control lógico para medir la presión.Este dispositivo soporta comunicación serie utilizando el protocolo SPI a una frecuencia de25Mhz que se usara para intercambiar información con el CPU del sistema.7.3 CODEC de AudioPara el codec de audio elegimos tlv320aic12k de Texas Instruments(1.6$/1000 units), puesnuestras necesidades van a ser del mínimo consumo posible ya que en la mayoría de lassituaciones los GPS se alimentan con batería. Lo hemos elegido MONO, ya que sólo se necesitaque se entienda bien la voz y no que tenga una gran calidad.En el propio catálogo se indica la aplicación de manos libres para un coche, los que nos haceestar más seguros de que ha sido una elección acertada para nuestra aplicación.Tenemos un rango de operación de temperaturas desde -40ºC hasta 85ºC más que suficientepara cualquier aplicación que pueda incluir un GPS incluso en condiciones extremas.Las necesidades de alimentación no son superiores a 3.3 V, perfecto para una batería normaldel mercado, aunque dependiendo del resto de componentes del circuito cabría elegir una demayor tensión y luego utilizar los boost-buck converters para seleccionar un nivel adecuado yestable para cada componente del sistema (A nosotros, en un principio nos sirve con ésta).
    • mayor tensión y luego utilizar los boost-buck converters para seleccionar un nivel adecuado yestable para cada componente del sistema. 21Como podemos observar la respuesta en frecuencia de los filtros del dispositivo correspondencon el mismo ancho de banda que se utiliza en un canal telefónico típico para transmitir voz(banda vocal).Tenemos incorporada entrada de micro, que puede servir por ejemplo si se trata de un GPSpara un coche, para poder darle indicaciones verbales al aparato, que estas sean tratadas porla CPU/DSP y se traduzcan en acciones sin tener que manejar la pantalla táctil o los botonesde control y perder la concentración en la conducción.Resaltar que puede ser necesario utilizar alguna técnica de cancelación de ECO para uncorrecto funcionamientoma del micro.
    • Podemos realizar una gestión independiente de las diferentes entradas/salidas del dispositivo,tanto por SW como por HW, pudiendo así habilitar o inhabilitar tanto el micro como las salidasde audio y reducir así el consumo. 22 Nota: El TLV320C5x es un dispositivo de comunicación serie.7.4 Puertos de entrada y salida7.4.1 USB e IrDAElegimos el modelo TUSB3410 (2,7$/1000units) de propósito general de TI que nos va a hacer depuente entre el PC y el puerto de comunicaciones serie del procesador del GPS. Además lleva incluidoun puerto infrarrojo (IrDA), así pues, matamos dos pájaros de un tiro. Coincide con el rango detemperatura de operación del codec de audio, y en niveles de tensión, pudiendo así alimentarambos con el mismo regulador siempre que proporcione suficiente corriente.Es necesario conectar un transceptor externo para la comunicación por infrarrojos.El dispositivo contiene un pequeño microcontrolador con reloj interno que se encarga deadaptar los datos a los diferentes tipos de señales requeridas.
    • La finalidad de estos dos tipos de puertos es comunicar el aparato GPS con otros dispositivos.Por USB por ejemplo para cargar un mapa en la memoria interna, cambiar ciertos parámetros(suelen almacenarse en la FLASH), actualización de firmware e incluso cargar la propia batería.Por infrarrojos para compartir información entre dispositivos GPS. 238 Alimentación del sistemaUn pequeño comentario antes de explicar los diferentes apartados.En un equipo GPS, dependiendo de la aplicación se puede tener en cuenta más de una formade alimentación.Por ejemplo, si el sistema va instalado en un smartphone o en un equipo GPS portátil se tienela ineludible necesidad de una batería. Si lo empleamos en un coche, aparte de la batería, otrafuente alternativa de alimentación sería adaptar la fuente que nos proporciona el coche(normalmente son 12 V), como lo es el encendedor, ya sea tanto para recargar la bateríacomo para poder utilizarlo sin ella (comentar que quizás sea necesario colocar algún filtro paraevitar ruidos y sobretensiones provocadas por el motor del vehículo, como es el TPS2400(0,85$/1000 units) de Texas Instruments).Para finalizar, por mencionar otro tipo de suministro de energía, en grandes medios detransporte se incluyen enchufes (la tensión y frecuencia varían dependiendo de la zonageográfica) para poder conectar diferentes dispositivos. En este caso cabría tener en cuenta eldiseño de una etapa AC/DC para conseguir el nivel de tensión continua necesario para laaplicación.
    • 8.1 LDOEsquema genérico de un LDO: 24Un LDO (low-dropout) es un regulador de tensión continua que funciona con tensionesdiferenciales entrada salida muy pequeñas. En este tipo de circuitos tenemos el transistortrabajando en su zona lineal (zona óhmica).El principal componente que forma el LDO es un FET de potencia (tipo N en el dibujo) y unamplificador de error diferencial.El funcionamiento es el de todo regulador lineal de tensión.El control se obtiene con el amplificador diferencial. Colocando un nivel de tensión estable enuna de las entradas y una monitorización de la tensión de salida en la otra (mediante un divisorresistivo); si la diferencia entre ellas crece, el canal del FET varía de tal manera que semantiene la tensión constante a la salida.En nuestro proyecto utilizaremos los LDO para la alimentación general del circuito, para laetapa de RF, alimentación analógica y digital.En un principio hemos elegido una batería de 3,3 V
    • 8.2 DC/DC Boost ConverterEl Boost converter lo vamos a utilizar para alimentar el LCD y los LED del equipo. 25Es un convertidor de una tensión continua de entrada a una tensión continua de salido mayor.Utiliza una carga para almacenar la tensión y dos semiconductores como interruptores (Diodoy transistor). Se le suele añadir bobinas y condensadores (a modo de filtro) para reducir elrizado a la salida.Normalmente se incluye en el mismo integrado el Boost y el Buck, como en el TPS6300(indicado para aplicaciones con batería; 2$/1000 units), así tenemos la opción de subir o bajarla tensión en un único integrado.
    • 8.3 DC/DC Buck Converter 26Es un convertidor de una tensión continua de entrada a una tensión continua de salidoinferior.En nuestro esquema lo vamos a emplear para alimentar el núcleo del DSP/CPU al que se le va aproporcionar una tensión muy estable para el núcleo.La elección del convertidor depende totalmente de la CPU o DSP que decidamos utilizar.8.4 Supply Voltage SupervisorEl supervisor de tensión de alimentación controla que el nivel de tensión sea el adecuado paratodos los dispositivos, generando una señal de reset que se mantendrá activa mientras lascondiciones de alimentación no superen el umbral, evitando así problemas de malfuncionamiento.También cabría mencionar los watch & dog que se colocan en los sistemas microprocesadorespara que no se queden colgados indefinidamente ya sea por fallo HW o SW y forzar un resetglobal tras cierto tiempo.Como siempre, elegiríamos uno adecuado a nuestras necesidades tanto de tensión, como decorriente, temperatura y otros parámetros a tener en cuenta.Un ejemplo podría ser el TPS3838 de Texas Instruments (0.85 $/ 1000 units).
    • 8.5 Battery Power Management & Intregrated Power Managemet -Tensión y corrientes necesarias. -Temperaturas de operación. Cosas a tener en cuenta: -Elección del tipo de batería(Li-Ion, Lead Acid,etc). -Tensión y corrientes necesarias. 27 -Temperaturas de operación. -Monitorización del nivel de carga. -Protección de la batería contra sobretensiones, calentamiento, …Un buen integrado que realiza la función de control de la batería y del circuito sería el bq24070(1,6 $/1000units) de TI que cumple directamente ambas funciones.Independiza la carga de la batería de la alimentación del circuito cuando está conectado a lared para reducir el número de ciclos de carga de la batería (aumentando así su vida útil), entremuchas otras prestaciones como control de temperatura, etc. Se muestra este integrado en concreto como podría haber sido cualquier otro, dependiendo de las especificaciones finales del sistema a implementar.
    • La sección de Integrated Power Management sería básicamente como la sección de la bateríapero para todo el circuito en general.9 ConclusionesEn este trabajo hemos aprendido la dificultad que tiene el realizar un diseño a partir de undiagrama de bloques genérico que nos facilite un fabricante. Hemos tratado de encontrar 28dispositivos electrónicos que fueran más o menos compatibles en cuanto a tensiones dealimentación y características generales aunque a modo orientativo, ya que no disponíamos deespecificaciones concretas de diseño.Por otra parte este trabajo nos ha servido para entender el funcionamiento general de unsistema tan conocido y usado en la actualidad como es el GPS. Además, hemos conocidodispositivos nuevos, que no habíamos visto durante la carrera, como es el filtro SAW y lossubsistemas de alimentación, así como el panel táctil utilizado en la interfaz de entrada.En un diseño real una de las partes más importantes es el coste por unidad, en nuestro casohemos hecho una estimación orientativa del coste de nuestro diseño, aunque muchas de lasunidades dependen de la cantidad de componentes que compremos al fabricante.A continuación presentamos una tabla con los distintos precios.Componente PrecioAntena AAP-1000 20 $2 x SAW 0.50 $LNA 0.50 $Sintetizador f UPB1005GS 6.00 $Cristal cuarzo 0.75 $ADC 3.6 $DSP/CPU 21.45 $Pantalla táctil 30 $USB e IrDA 2.7 $Codec de audio 1.6 $LDO (Low-dropout) 1.77 $DC/DC Buck Converter 1.1 $DC/DC Boost Converter 1.2 $Supply Voltage Supervisor 0.85 $Battery Power Management 1.6 $Batería Ion-Litio 25 $COSTE TOTAL APROXIMADO 120 $
    • 10 Bibliografía y referenciashttp://en.wikipedia.org/wiki/http://www.ti.com/http://www.oscilent.com/catalog/http://www.datasheetarchive.com/http://www.msebilbao.com/ 29