Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Ajout de GPS à votre produit électronique (et comment l’intensifier)

Vous avez une idée que vous aimeriez mettre sur le marché? Dans cette série, John Teel suit le processus de passage du prototype à la production. Suivez chaque versement pour voir de plus près comment incorporer des composants individuels.


Le système de positionnement global (GPS) doit être l’une des technologies les plus cool jamais conçues par l’homme. Bien que le GPS soit devenu monnaie courante à cause des smartphones, il reste une technologie incroyablement avancée. Cependant, pour seulement quelques dollars, il est possible d’intégrer le GPS à votre nouveau produit électronique.

Introduction au GPS

Le GPS a été développé par l’armée américaine à la fin des années 70. Le système consiste en un minimum de 24 satellites en orbite haute autour de la Terre. Ces satellites voyagent à près de 9 000 milles à l'heure et gravitent à une altitude de 12 000 milles. Chaque satellite transporte une horloge atomique avec une précision d'environ 1 nanoseconde. Les satellites sont répartis de sorte qu’il y ait une visibilité directe sur au moins 4 satellites à partir de n’importe où sur la surface de la Terre. Le récepteur GPS au sol reçoit les données de synchronisation et de localisation de ces satellites sur un signal de porteuse radio de 1,575 GHz.

Le récepteur GPS est ensuite en mesure de déterminer la distance qui le sépare de chaque satellite en chronométrant le temps nécessaire aux ondes radio qui se déplacent à la vitesse de la lumière pour arriver au récepteur. En connaissant la distance et la localisation exactes (codées dans le signal) d’au moins trois satellites, le microprocesseur du récepteur est en mesure de trilater son emplacement. Le quatrième satellite est requis à titre de vérification redondante et pour fournir des corrections de synchronisation.

Le terme GPS ne désigne en réalité que l'utilisation du réseau de satellites exploité par les États-Unis. Cependant, d’autres systèmes de navigation sont en activité, tels que le réseau russe GLONASS, le réseau chinois BeiDou, le réseau européen bientôt Galileo et le réseau japonais QZSS. Le terme système mondial de navigation par satellite (GNSS) est le terme le plus générique qui fait référence à l’un des systèmes ci-dessus.

la mise en oeuvre

La mise en œuvre peut être divisée en trois types de solutions: modules complets avec antenne, modules à puce sans antenne et solutions à puce discrète. Le tableau 1 ci-dessous résume les avantages et les inconvénients de chaque type de solution.

Tableau 1 - Comparaison des types de solutions GPS

Je conseille toujours aux entrepreneurs de s’attacher en premier lieu à réduire au minimum leurs risques et leurs coûts de développement, même si cela signifie une solution qui ne laisse pas grand-chose, voire aucun profit. Il est préférable de s’inquiéter de la maximisation des profits après un succès réel sur le marché.

Toutes ces solutions s’interfacent avec le microcontrôleur principal de votre produit via une interface série UART. Dans la plupart des cas, les coordonnées GPS sont générées dans un format normalisé appelé NMEA (National Marine Electronics Association).

Solution de module complet

Le moyen le plus simple d'implémenter le GPS consiste à utiliser un module complet comprenant une antenne intégrée ou un connecteur pour une antenne externe. Voir le tableau 2 ci-dessous pour une comparaison de quatre modules GPS complets populaires disponibles.

Module complet GNSS Puce discrète Sensibilité Taille (mm)
uBlox CAM-M8 GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou uBlox -167 dBm 14 x 10 x 2
AdaFruit Ultimate GPS GPS, QZSS MT3339 -165 dBm 35 x 26 x 7
Telit SE868-A GPS, GLONASS, QZSS, Galileo SiRF Star V -163 dBm 11 x 11 x 6
Module GPS SparkFun GPS Copernicus II -160 dBm 28 x 32 x 4

Tableau 2 - Comparaison des modules GPS complets (classés de la sensibilité la plus élevée à la plus faible)

Les modules complets offrent les coûts de développement les plus bas mais les coûts unitaires les plus élevés, ils ne conviennent donc généralement que pour les premiers tests (ou pour les projets DYI). La meilleure solution pour mettre un nouveau produit sur le marché consiste à utiliser un module à puce.

Figure 1 - Module complet Adafruit Ultimate GPS avec connecteur d’antenne

Solutions de module de puce

Une solution de module de puce n'inclut généralement pas d'antenne intégrée et nécessite généralement au moins quelques composants externes. Cependant, les modules à puce présentent beaucoup moins de risques qu'une solution à puce discrète. Voir le tableau 3 pour une comparaison des huit modules de puce actuellement disponibles.

Figure 3 - Module de puce GPS de Wi2Wi

Il existe deux types de certification FCC: radiateur non intentionnel et radiateur intentionnel. Tous les produits électroniques nécessitent au moins une certification de radiateur non intentionnelle. Seuls les produits qui transmettent sans fil nécessitent une certification coûteuse et intentionnelle des radiateurs. Normalement, le seul moyen de contourner la certification FCC des radiateurs intentionnelle pour un produit sans fil (qui transmet également) consiste à utiliser un module pré-certifié. Cependant, le GPS étant une technologie de réception seulement, seule une certification non intentionnelle à moindre coût est requise. Cela signifie que l’utilisation d’un module GPS ne vous épargne pas vraiment la certification FCC.

Module de puce GNSS Puce discrète Sensibilité Taille (mm)
Série uBlox M8 GPS, GLONASS, QZSS, BeiDou uBlox -167 dBm 7 x 7 x 1
GlobalTop Tech PA6H GPS, QZSS MT3339 -165 dBm 16 x 16 x 5
SkyTraq Venus838FLPx GPS, QZSS Vénus 816 -165 dBm 5 x 5
Wi2Wi W2SG0021i GPS, GLONASS, QZSS SiRF Star V -162 dBm 7 x 7 x 2
Maestro Wireless A2200-A

GPS SiRF Star IV -160 dBm 14 x 10 x 3
Linx Technologies série F4 GPS SiRF Star IV -160 dBm 15 x 13 x 2
Antenova M10478-A1 GPS SiRF Star IV -160 dBm 14 x 10 x 2
Trimble Copernicus II GPS N / A -160 dBm 19 x 19 x 3

Tableau 3 - Comparaison des solutions GPS de modules à puce (du plus élevé au plus sensible)

L'une des spécifications les plus importantes pour une solution GPS est sa sensibilité (mesurée en dBm). En effet, le signal reçu est incroyablement faible. Les satellites GPS ont une puissance de transmission de 27W seulement. Au moment où le signal parcourt 12 000 km pour atteindre votre produit sur Terre, il n’est plus qu’environ 3 x 10-16 W (-125dBm)! La sensibilité est encore plus critique pour un fonctionnement en intérieur où l'intensité du signal ne peut être que de -155 dBm.

L'antenne est le principal risque associé à la conception d'une solution utilisant un module de puce GPS. C’est le cas de toute technologie sans fil, mais plus particulièrement du GPS en raison de la faible puissance du signal.

Cela signifie qu’il est essentiel que l’antenne transfère le plus de puissance possible à la puce GPS. Pour obtenir un transfert de puissance optimal, vous devez faire correspondre l'impédance de l'antenne, la ligne de transmission connectant l'antenne et la broche de l'antenne sur le module de puce GPS. Cette impédance est presque toujours de 50 ohms.

L'impédance de l'antenne et de l'émetteur-récepteur à puce GPS étant déjà définie, vous devez concevoir la ligne de transmission en fonction de l'impédance de 50 ohms. Je recommande d'utiliser un outil gratuit appelé AppCAD de Avago Technologes. Sur un circuit imprimé, le type de ligne de transmission utilisé pour connecter une antenne est généralement un microruban ou un guide d’onde coplanaire (voir Figure 4).

Figure 4 - Guide d'ondes microruban versus coplanaire (fourni par Avago Technologies AppCAD)

Un microruban est un type de ligne de transmission fabriqué sur un circuit imprimé pour le transport d’ondes radio haute fréquence. C’est une bande conductrice séparée d’un plan de masse par une couche diélectrique. Un guide d’onde coplanaire est similaire, sauf qu’il est également entouré d’un plan de masse. L'impédance de 50 ohms provient de la ligne de transmission par rapport à la terre et ne doit pas être confondue avec la simple résistance de la ligne.

Outre l’utilisation d’une ligne de transmission appropriée, il est également nécessaire d’ajouter un réseau pi (généralement un filtre C-L-C) entre l’antenne et la puce GPS. Cela permet un réglage précis de l'impédance de l'antenne pour une adaptation optimale et un transfert de puissance maximal.

Solution de puce discrète

Une fois que votre volume est suffisamment élevé (100 000 +), vous voudrez commencer à trouver des moyens de réduire vos coûts unitaires et d’augmenter vos marges de profit. C’est le moment idéal pour migrer vers une solution de puce discrète qui peut réduire considérablement les coûts de votre produit. Une solution de puce discrète présente le coût de développement (et le risque) le plus élevé, mais le coût unitaire le plus faible. Idéalement, vous pourrez utiliser la même puce discrète que celle utilisée dans votre module initial.

Puce discrète GNSS Sensibilité
CSR SiRF Star IV GPS -160 dBm
CSR SiRF Star V GPS, GLONASS, QZSS -162 dBm
MediaTek MT3339 GPS, QZSS -165 dBm
SkyTraq Venus 816 GPS, QZSS -165 dBm

Tableau 4 - Comparaison de puces GPS discrètes

Conclusion

Dans la plupart des cas, il est préférable de commencer avec une solution GPS complète pour les tests initiaux. Passez ensuite à un module de puce à utiliser à des fins de test de faible volume sur le marché. Une fois que vous avez atteint des volumes de fabrication élevés, vous pouvez développer une solution de puce discrète pour réduire les coûts de votre produit. N'oubliez pas de toujours commencer par la solution présentant le risque le plus faible. Ce conseil est valable en général pour le développement de produits avec un budget limité.

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