基于Spreadtrum和SiRF的GSM+GPS模块设计

摘要 GSM/GPRS与GPS之间灵活的组合和配置，以及软件和硬件客户的个性化定制方案，使UB680模块非常适用于追踪器、防盗短信报警器、监控器、小孩/老人/病人/宠物监护、车载调度等，也可应用于带导航功能的智能手机等手持设备和行业应用中。文中阐述UB680 GSM+GPS模块的构建方法和实现过程，改进了GSM和GPS模块各自独立的解决方案，实现了GSM对GPS的各种控制。

关键词  GSM  全球定位导航系统  低噪声放大器  UB680

1  系统简介

　　UB680模块集成了四频GSM/GPRS无线通信模块和GPS接收机模块，系统框图如图1所示。GSM和GPS两者高度结合，提供了多种灵活的工作模式。GSM/GPRS和GPS接收机既可分别独立工作又可由GSM/GPRS控制GPS。GPS信息可由本地控制和传送，也可空中控制和传送。60脚板对板连接器将各个功能接口留出，主要包括：GSM电源接口 （Power Supply）、 GPS电源接口（Power Supply）、ADC接口、 GSM串行通信接口 （2 Channel UART）、GPS串行通信接口（1 Channel UART）、双通道模拟音频接口(2 Channel Audio)、5×5矩阵式键盘接口（5×5 Keypad Array）、标准SIM卡接口、后备电池（RTC Backup）等。本身内嵌了TCP/IP协议，支持AT命令扩展，可以实现各种用户个性化定制方案。

图1  系统框图

2  软件架构

图2  软件框图

　　除了GSM/GPRS通信软件功能和GPS receiver软件外，还有融合二者的GPS数据接收、GPS数据发送、GPS控制和GPRS网络自恢复机制4个部分，如图2所示。GSM/GPRS单元使用GSM_UART2接收标准NMEA-0183格式的GPS数据,并且把接收的GPS数据按照用户AT指令设置指定的传送方式进行本地显示或者传送到第三方接收单元，第三方接收单元按照NMEA-0183标准对接收到的GPS数据进行二次处理。

　　GSM/GPRS单元可以通过GSM_UART2发送AT指令对GPS单元进行控制，例如控制GPS输出的波特率和汇报时间等。当选择以GPRS方式传送GPS数据时，可能由于GPRS网络异常、TCP/UDP断开导致GPS数据传送被迫中断，GPRS自恢复机制能够重新连接上GPRS网络、激活PDP和建立TCP/UDP连接，从而最大程度地保证GPS数据传输的连续性和稳定性，为用户提供优质的服务。

3  工作模式

3.1  GPS单元与GSM/GPRS单元独立工作模式

　　GPS单元与GSM/GPRS单元的独立工作模式如图3所示。

图3  GPS GSM/GPRS独立工作模式

　　GPS单元与GSM/GPRS单元可以看作是完全独立的两个个体，两者可以脱离对方依赖单独运行。它是GSM/GPRS单元和GPS模块在硬件上的简单组合。两者之间在逻辑上无任何关系，GSM/GPRS通过其AT指令串口接受用户的控制。GPS通过其串口向用户汇报相应的定位信息以及接受用户的各种配置控制。

　　GPS单元可作为一个独立的实体，且提供一个端口GPS_UART0供用户使用。GPS_UART0口既可输出标准的NMEA0183协议的定位信息又可接受用户的控制，输出的定位信息可供GSM/GPRS单元或其他第三方单元使用处理。

　　通过GPS_UART0口可控制GPS的数据包括以下内容： GPS波特率——2 400、4 800、9 600、14 400、19 200、28 800、38 400、57 600、115 200 bps，启动模式——Cold、Warm、Hot，停止模式——Stop、Sleep，时分区——Hour zone(-11,-10,-9， …，12 ),Minute zone(0、15、30、45)，Debug时间间隔配置——0、5000，位置栓——终端显示位置可锁定不变，满足一定越界条件才改变。GSM/GPRS单元也可视为一个独立的实体，且提供2个串口GSM_UART0、GSM_UART1供用户使用。GSM_UART1作为Debug口使用，打印调试信息、log信息等；GSM_UART0作为AT指令口使用，回显数据，对指令功能进行设置、执行、测试、查询等。

3.2  GPS单元与GSM/GPRS单元融合工作模式

　　在融合工作模式下，GPS的定位数据传输至GSM/GPRS单元并在该单元中根据用户的配置进行相应的处理，可将GPS数据分别在串口输出(工作模式2)、SMS传输和GPRS传输(工作模式3)。传送的数据为标准的NMEA0183数据格式[1](以“＄”开头和*cc结尾，cc为2位十六进制校验和)，依照客户的不同需求，可以把GPS截获的数据解析成易于理解的信息。在该工作模式下传送、控制、串口输出数据等，以满足客户不同的需求。模块提供了一系列的AT指令并且具有可扩展性，方便用户通过GSM_UART0串口对GPS单元进行控制和设置，以获取相应的GPS定位信息，并且通过GSM/GPRS单元进行本地回显或者远程汇报。

3.2.1  GPS信息由GSM/GPRS串口输出

　　通过在超级终端中输入图4中的AT指令实现。

图4  PC控制指令

　　AT+PSIPR=115200；设置GPS COM口的波特率为115 200 bps
　　AT+GPSDATAMODE；设置GPS数据传输模式为1，即GPS数据在GPRS上传输
　　AT+GPSSTART；开始GPS任务

3.2.2  GPS信息由GPRS方式传输

　　① 打开Server服务器模拟程序。
　　② 设置本地端口号。
　　③ 选择监听按钮。

　　在超级终端对话框内依次输入图5所示命令：

　　AT+CGACT；激活PDP上下文
　　AT+GPSDATACONF；设置GPS数据以GPRS模式传输的网络参数

图5  PC控制指令

3.2.3  GPS数据通过SMS传输

　　GPS数据通过GSM的短消息形式传输,在超级终端对话框内依次输入图6所示命令：

AT+GPSDATAMOD；设置GPS数据传输模式为2，即GPS数据以GSM的短消息形式传输
AT+GPSSMSNUM；设置GPS数据以短信方式传输目的号码

图6  PC控制指令

3.3  GPS数据输出频率控制

　　GPS数据输出，包括通过GSM/GPRS单元的串口输出、SMS输出和GPRS输出。使用AT命令“AT+GPSOUTFREQ=[NUM]”可改变输出频率。注：NUM的取值范围为1~65 535，单位为s。

4  GPS射频性能调试

　　LNA UPG8231调试中所使用的GPS信号是由Agilent E4438C ESG矢量信号发生器[2]和409 GPS专用模块产生的。可以生成多达8个实时GPS卫星信号，并可使用预配置的情景文件（包括多普勒频移）对它们进行配置；或将之配置成与真正的卫星轨道保持同步，从而与卫星信号中包含的导航信息相一致。

　　GPS调试环境： 用E4438C矢量信号发生器（E4438C配上选件409 GPS）产生模拟GPS信号送到GPS模块射频输入端，在PC端运行软件SiRFDemo 3.86，用频谱仪Agilent N8973A/N400A(Noise Source)测试噪声系数。

4.1  测试GPS射频指标

（1） 系统噪声系数

　　SirfstarIII的整个接收回路（参考接收机设计）大约有3.0 dB的系统噪声系数，如表1所列。

表1  系统增益和噪声系数

　　根据公式： F=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+(F4-1)/G1G2G3+…
　　F=(Input S/N)/ (Output S/N)
　　计算可得 F=2.5+0.06-0.15=2.41
　　式中F表示噪声系数，G表示增益。

（2） LNA的S参数

　　按原V1.0板的匹配情况，LNA在1 575.42 MHz的S参数（S11=-2.8, S21=13.4, S22=-5.6，S12=-30）性能比较差。经过仔细调试，得到了LNA的最终匹配电路，如图7所示。

图7  LNA匹配后电路原理

　　GSC3f/LP定位所需要GPS信号的C/N为28  dB以上。本模块在SiRFDemo3.86软件上测试的性能为：当等效输入功率为-120 dBm时，C/N为49 dB，当输出功率为-136 dBm时，C/N为35 dB。Coretek自己做的另一款GPS模块用 BGA615：-120 dBm时C/N为47 dB，-136 dBm时C/N为32 dB，NF为 2.8 dB。

　　最终LNA在1 575.42 MHz时的S参数为：S11=-14.6 dB，S21=16.7 dB，S22= -6.0 dB, S12=-37.2 dB NF=2.2 dB。如果考虑焊接到PCB上LNA的输入和输出端的那两条射频小线Cable Loss无法补偿掉, LNA的增益在19 dB左右，LNA的真实NF应该在1.4 dB左右。

　　表2是对NEC的评估板实测情况（仪器为Agilent N8973A/N400A）：

表2  NEC UPG8231评估板

　　由于焊接到电路板上LNA的输入和输出端的射频线的插入损耗无法精确估计，从而带来一些测量误差。考虑到这些测量误差的影响，我们认为设计取得了理想的效果，是比较成功的。

（3） 首次定位时间TTFF

　　TTFF如表3所列。

表3  TTFF

5  系统设计中的缺陷

　　原因：设计中由于把GPS_TXD1直接连接到GSM_RXD2。没有考虑到不同的基带芯片之间存在的I/O电平的差异，导致系统运行时存在潜在的不稳定因素。笔者在hyperlynxV7.7中用LineSim仿真也预见了这种危险。

　　问题一：当GSM VBAT为0 V时，测量 GPS_TXD0的输出（在示波器上观察），同时在串口上测量，发现刚复位时有输出波形，过几十秒后串口无输出。

　　查询GSM基带芯片手册可知，如表4所列，Pin M5在GSM复位时为高电平。在刚加电时其状态不稳造成GPS串口无输出。

表4  I/O特性

　　问题二：刚上电时GPS串口无输出，按GPS复位键后有输出。

　　GSM复位信号的上升时间为800 μs，幅度为4.09 V；GPS复位信号的上升时间为1.44 ms，幅度为1.8 V。对刚上电GPS无输出这种情况，初步认为是GPS电源部分的上电时序的问题，导致GPS复位不充分（即系统设计中没有复位GPS用的Flash）。

　　编者注： 本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

参考文献

[1]  NMEA0183: the National Marine Electronics Association.
[2]  Agilent E4438C应用手册.

张国军(研究生)，主要研究方向为无线通信。

（收修改稿日期：2008-07-07）