№1 / 2018 / статья 5

TESEO-LIV3F – первый навигационный модуль STMicroelectronics

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Компания STMicroelectronics, известная своими микросхемами спутниковых приемников Teseo II и Teseo III, анонсировала выпуск первого собственного навигационного модуля Teseo-LIV3F. Модуль будет поддерживать все основные глобальные системы: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS.

Спутниковая навигация применяется в самых различных областях: морской/воздушной/сухопутной навигации, логистике транспорта и грузов; системах экстренного реагирования (ЭРА ГЛОНАСС, eCall), в персональной навигации; системах безопасности (противоугонных маячках), спорте (на ралли-рейдах) и так далее.
Глобальные навигационные спутниковые системы ГНСС (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) представляют собой сложные комплексы, которые включают не только орбитальную группировку спутников, но и наземное оборудование. Значение спутниковой навигации столь высоко, что многие страны создают собственные национальные системы: ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Европа), Beidou (Китай), QZSS (Япония) и некоторые другие. Вместе с тем данная задача оказывается чрезвычайно сложной, поэтому на настоящий момент только ГЛОНАСС и GPS можно считать законченными решениями, покрывающими всю поверхность Земли.
Для получения данных о местонахождении объекта необходим навигатор, основным элементом которого является приемник (ресивер). Измеряя задержку распространения сигналов, навигатор может оценить расстояние до передающего спутника. Для точного расчета необходимо знать положение самих спутников. Информация об орбите спутника содержится в особой таблице – альманахе.
Альманах передается в сигналах каждого из спутников. Также его можно получить от наземных систем, в том числе – с помощью специальных сервисов сети Интернет. Если навигатор долгое время находился в выключенном состоянии, то перед тем как начать рассчитывать координаты, он должен скачать актуальный альманах.
Испытания показали, что совместное использование данных, полученных от нескольких ГНСС, например, от ГЛОНАСС и GPS, позволяет существенно повысить точность позиционирования. Еще большей точности позволяют добиваться системы дифференциальной коррекции, например СДКМ (ГЛОНАСС) и WAAS (GPS).
Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в области производства навигационных приемников. Интегральные микросхемы приемников семейств Teseo II и Teseo III, производимые компанией STMicroelectronics, способны работать с большинством навигационных систем: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, QZSS, Beidou (только Teseo III).
Недавно STMicroelectronics анонсировал запуск законченного навигационного модуля Teseo-LIV3F, построенного на базе Teseo III.

Обзор микросхем навигационных приемников Teseo II и Teseo III

Компания STMicroelectronics выпускает два семейства микросхем спутниковых приемников – Teseo II и Teseo III (рисунок 1). Приемники Teseo II способны работать с ГЛОНАСС, GPS, Galileo, QZSS. Представители семейства Teseo III отличаются дополнительной поддержкой китайской системы Beidou и меньшим уровнем потребления.

Рис. 1. Номенклатура приемников Teseo производства STMicroelectronics

Рис. 1. Номенклатура приемников Teseo производства STMicroelectronics

Линейка приемников Teseo объединяет полтора десятка моделей с различными особенностями (таблица 1):

  • для бюджетных приложений;
  • со встроенным ВЧ-трактом;
  • со встроенной памятью;
  • со встроенным вычислительным ядром ARM9;
  • для автомобильных приложений.

Таблица 1. Характеристики приемопередатчиков Teseo от STMicroelectronics

Наименование Навигация Корпус Число каналов Tраб,°C Описание
STA8088CWG GPS/Galileo/Glonass/QZSS WLCSP 32 -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом
STA8088EXG GPS/Galileo/Glonass/QZSS TFBGA -40…85 Навигационный приемник с мощным вычислительным ядром (ARM9)
STA8088FG GPS/Galileo/Glonass/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом и Flash
STA8088GA GPS/Galileo/Glonass/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник для автомобильных приложений
STA8089FG GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 48 -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом и Flash
STA8089FGA GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом и Flash
STA8089G GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник
STA8089GA GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник для автомобильных приложений
STA8089GAT GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…105 Навигационный приемник для автомобильных приложений
STA8090EXG GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS TFBGA -40…85 Навигационный приемник с мощным вычислительным ядром (ARM9)
STA8090EXGA GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS TFBGA -40…85 Навигационный приемник для автомобильных приложений с мощным вычислительным ядром (ARM9)
STA8090FG GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS TFBGA -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом и Flash
STA8090GA GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…85 Навигационный приемник для автомобильных приложений
STA8090GAT GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS VFQFPN 56 -40…105 Навигационный приемник для автомобильных приложений
STA8090WG GPS/Galileo/Glonass/Beidou/QZSS WLCSP -40…85 Навигационный приемник со встроенным ВЧ-трактом

Для создания законченного навигатора на базе чипсета в ряде случаев придется добавить на плату системы питания и тактирования, память, ВЧ-тракт и прочее. Инженерам приходится как следует потрудиться, чтобы реализовать все эти элементы «в железе». В ряде случаев, чтобы упростить себе жизнь, логично воспользоваться готовыми навигационными модулями.

Навигационные модули позволяют существенно сократить время на разработку оборудования, так как в их состав, кроме самой микросхемы приемника, включены и другие элементы, перечисленные выше. Примером такого модуля является Teseo-LIV3F, который построен на базе микросхемы приемника Teseo III.

Teseo-LIV3F – первый навигационный модуль от STMicroelectronics

Рис. 2. Внешний вид GPS-модуля Teseo-LIV3F

Рис. 2. Внешний вид GPS-модуля Teseo-LIV3F

Несмотря на большой опыт разработки и производства микросхем ГНСС для приема спутниковых сигналов, Teseo-LIV3F стал первым законченным навигационным модулем производства STMicroelectronics (рисунок 2).

Teseo-LIV3F – простой в использовании навигационный спутниковый модуль, построенный на базе Teseo III. Он способен работать с различными спутниковыми системами, в том числе – ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS (таблица 2).
В состав Teseo-LIV3F входит мощное процессорное ядро ARM9, 32 кбайт ОЗУ, 16 Мбит Flash, система питания (SMPS и BKLDO), система тактирования (термокомпенсированный кварцевый генератор TCXO и стабильные часы реального времени RTC), коммуникационные интерфейсы, ВЧ-тракт (рисунок 3).

Рис. 3. Структурная схема Teseo-LIV3F

Рис. 3. Структурная схема Teseo-LIV3F

На момент написания статьи модуль Teseo-LIV3F еще не поступил на рынок, и в распоряжении разработчиков были только так называемые целевые характеристики («target specification») (таблица 2, таблица 3). Согласно предоставленным данным, время до первого местоопределения у Teseo-LIV3F составляет от 32 с при холодном старте и от 1,5 с при горячем. Чувствительность приемника -163 дБм.

Таблица 2. Навигационные характеристики Teseo-LIV3F

Параметр GNSS GPS&GLONASS GPS&BeiDou GPS&Galileo
Время до первого местоопределения, с Холодный старт <32 <36 <30
Теплый старт <25 <29 <26
Горячий старт <1,5 <2,5 <2
Чувствительность, дБм Трекинг -163 -163 -163
Навигация -158 -158 -158
Точность измерения скорости, м/с (при прямолинейном движении) 0,01 0,01
Точность измерения скорости, м/с (при движении по криволинейной траектории) 0,1 0,1
Точность вертикального позиционирования, м Автономная работа <1,8 <1,5
SBAS <1,5
Диапазоны измерений Динамика, g <4,5 <4 <4,5
Высота над уровнем моря, м 18000 18000 18000
Скорость, м/с 515 515 515

Teseo-LIV3F способен работать при температурах окружающей среды -40…85°C и напряжениях питания 2,1…4,3 В. Стоит, однако, отметить, что для питания портов ввода-вывода выделен специальный вход, а диапазон напряжений ограничен 3,0…3,6 В (таблица 3).

Таблица 3. Общие характеристики Teseo-LIV3F

Параметры Teseo-LIV3F
Навигация GPS/Galileo/Glonass/BeiDou/QZSS
Навигационное ядро Teseo III
Объем встроенной Flash-памяти 16
Интерфейсы UART, I²C
Потребление в активном режиме (только GPS), мВт 75
Потребление в режиме ожидания, мкВт 17
Питание общее, В 2,1…4,3
Питание I/O, В 3,0…3,6
Габариты, мм 9,7×10,1
Диапазон рабочих температур, °C -40…85

Teseo-LIV3F выпускается в 18-выводном миниатюрном корпусе 9,7×10,1 мм (таблица 3). Конечно, данный форм-фактор не является рекордным, более того – на рынке уже существуют модели аналогичного типоразмера с совместимым расположением выводов. В качестве примера можно привести приемники KL3333 производства компании НАВИА и L76 от Quectel. Назначение выводов у этих приемников такое же как у Teseo-LIV3F, за исключением сигналов I²C, которые в них не используются. В KL3333 также не используются выводы управления и питания внешним малошумящим усилителем.
До выхода Teseo-LIV3F на рынок и до появления официальных спецификаций сложно сравнивать модуль с существующими аналогами. Однако уже сейчас можно выделить основные достоинства Teseo-LIV3F:

  • поддержка всех популярных спутниковых систем – ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS. Для сравнения, KL3333 работает только с ГЛОНАСС и GPS, а L76 совместим лишь с ГЛОНАСС/ GPS/ Galileo;
  • возможность расчета координат при комбинированном использовании нескольких ГНСС, например, ГЛОНАСС и GPS или GPS и Beidou;
  • поддержка DGPS (differential global positioning system) для ГЛОНАСС и GPS;
  • возможность загрузки альманаха с помощью двух дополнительных механизмов (Assisted GNSS): ST Assisted GPS и RealTime AGPS;
  • поддержка двух коммуникационных интерфейсов – I²C и UART. Большая часть приемников работает только с UART;
  • возможность работы как с пассивной, так и с активной антенной;
  • наличие встроенной Flash-памяти объемом 16 Мбит, которая может использоваться для логирования или хранения различных данных, например координат, скорости и так далее;
  • встроенные программные функции (одометр, измерение скорости и прочее);
  • малые габариты;
  • средства разработки и отладки, предоставляемые компанией STMicroelectronics.

Возможно, именно последний пункт станет одним из важнейших преимуществ при выборе Teseo-LIV3F.

Ускоренное обнаружение спутниковых сигналов в Teseo-LIV3F (Assisted GNSS)

Для выполнения расчетов навигатору требуется устойчивый прием сигналов с четырех спутников и информация об их точном расположении – эфемерисе. При этом эфемерис необходимо динамически обновлять. Например, при использовании GPS эфемерис сохраняет актуальность 4 часа, а при использовании ГЛОНАСС – 30 минут, после чего необходимо актуализировать данные. Их можно получить со спутника, однако процесс занимает до нескольких минут, а может и вовсе закончиться неудачей. Чтобы ускорить время получения данных о положении спутников, используются альтернативные вспомогательные системы Assisted GNSS
Teseo-LIV3F поддерживает два типа Assisted GPS.
ST Assisted GPS® (STAGPS) – фирменный программный механизм предсказания положения спутников от STMicroelectronics. STAGPS накапливает информацию о предыдущих положениях спутников и экстраполирует их для предсказания новых данных. Такой механизм позволяет навигатору работать в автономном режиме, при котором не требуется подключения к Интернету или другим сетям. Длительность предсказания достигает пяти дней.
STAGPS позволяет ускорить процесс навигации за счет предсказаний. Как только приемник получает актуальную информацию, она тут же помещается в базу данных STAGPS.
Для активации и взаимодействия со STAGPS используется протокол NMEA.
RealTime Assisted GPS (RT-AGPS) – механизм загрузки альманаха из Интернета. RT-AGPS требует подключения к специальному серверу, который будет снабжать навигатор актуальной информацией. Важно отметить, что STMicroelectronics обещает бесплатную поддержку данного механизма за счет серверов, выделенных партнерами компании.
Для взаимодействия с RT-AGPS используются NMEA-команды.

Коммуникационные интерфейсы Teseo-LIV3F

Модули Teseo-LIV3F, в отличие от конкурентов, поддерживают сразу два коммуникационных интерфейса: UART и I²C. Оба интерфейса работают с привычным для навигационных приемников протоколом NMEA.
Универсальный асинхронный приемопередатчик UART можно считать стандартным для навигационных приемников. В Teseo-LIV3F для UART выделено две линии: RX0 (вывод 3) и TX0 (вывод 2) (рисунок 4). Для хранения передаваемых и принимаемых данных используется пара 64-байтных буферов FIFO.

Рис. 4. Назначение выводов Teseo-LIV3F

Рис. 4. Назначение выводов Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F способен осуществлять обмен данными по I²C со скоростями 100 и 400 кГц. Для I²C выделены выводы 16 (SDA) и 17 (SCL).
Teseo-LIV3F всегда выступает в качестве ведомого, а его адрес задается в конфигурационной прошивке.
Поддержка I²C является весьма полезной для систем с многочисленными датчиками, так как их можно подключить к одной шине. Например, при использовании DIY-платформ, в частности Arduino, для модуля Teseo-LIV3F не придется выделять UART, так как он без проблем будет работать по I²C вместе с другими устройствами и датчиками.

Подключение антенны к Teseo-LIV3F

В самом простом случае Teseo-LIV3F может обойтись простой пассивной антенной, подключенной напрямую к ВЧ-входу RF_IN (рисунок 5). Импеданс входа RF_IN (вывод 11) составляет 50 Ом.

Рис. 5. Простейший вариант включения Teseo-LIV3F

Рис. 5. Простейший вариант включения Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F поддерживает работу с внешним малошумящим усилителем (LNA). Для питания усилителя используется 14 вывод (VCC_RF), а для разрешения его работы – вывод 13 (ANT_OFF) (рисунок 6).

Рис. 6. Подключение малошумящего усилителя к Teseo-LIV3F

Рис. 6. Подключение малошумящего усилителя к Teseo-LIV3F

Для минимизации потерь в режиме пониженного потребления может быть использована схема с активной антенной. Для ее подключения используются те же выводы – VCC_RF и ANT_OFF (рисунок 7).

Рис. 7. Управление активной антенной

Рис. 7. Управление активной антенной

Вопрос потребления является ключевым для всех навигационных систем. Это касается как портативных навигаторов, так и автомобильных трекеров. Teseo-LIV3F поддерживает несколько режимов пониженного потребления.

Питание и потребление Teseo-LIV3F

Для питания Teseo-LIV3F используются три вывода (рисунок 6):

  • вывод 8 (VCC) – основное питание модуля 2,1…4,3 В;
  • вывод 7 (VCC_IO) – питание портов ввода-вывода 3,0…3,6 В;
  • вывод 6 (VBAT) – батарейное питание 2,1…4,3 В.

Уровень потребления Teseo-LIV3F зависит от используемой ГНСС, от режима работы и от напряжения питания (таблица 4).

Таблица 4. Параметры потребления Teseo-LIV3F в различных режимах работы

Режим Параметры Потребление, мВт
Активный режим G2 = GPS; Tc = 25°C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 В 72
G2 = GPS + ГЛОНАСС; Tc = 25°C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 В 90
G2 = GPS + Beidou; Tc = 25°C; VCC = 2,1 В; VCC_IO = 3,3 В 85
Режим ожидания RTC = 32,768 кГц; Tc = 25°C; VCC = VCC_IO = 0 В; Vbat = 3,3 В 0,029

Минимальный уровень потребления в активном режиме составляет 72 мВт. Такого результата можно добиться при использовании GPS при минимальном напряжении питания 2,1 В.
Для минимизации общего уровня потребления предлагается использовать два базовых спящих режима: программный (Software Standby) и аппаратный (Hardware standby). И в том, и в другом случае большинство функциональных блоков модуля оказываются выключенными, за исключением дежурного домена (low power backup domain), который питается от внешнего аккумулятора через вывод VBAT.
Software Standby. Teseo-LIV3F может быть переведен в режим Software Standby с помощью соответствующих NMEA-команд. При этом существует два варианта сна. В первом случае пробуждение контролирует внешний управляющий процессор с помощью вывода WAKE_UP. Во втором – модуль автоматически просыпается по сигналу от RTC с заданным интервалом времени от 5 секунд до 24 часов.
Ток потребления в режиме Software Standby начинается от 12 мкА.
Hardware standby. Чтобы перейти в данный спящий режим, необходимо подать логический ноль на вход SYS_RESETn (вывод 9) и отключить питание VCC (вывод 6) и VCC_IO (вывод 7). При этом источник VBAT должен быть активным.
Ток потребления в режиме Hardware standby составляет около 6 мкА.

Референсная схема включения Teseo-LIV3F

С учетом всего вышесказанного компания STMicroelectronics предлагает типовую схему включения Teseo-LIV3F (рисунок 8). Схема достаточно проста, кроме Teseo-LIV3F она содержит понижающий преобразователь ST1S12GR, усилитель BGA824N6 и ПАВ-фильтр B4327.

Рис. 8. Референсная схема включения Teseo-LIV3F

Рис. 8. Референсная схема включения Teseo-LIV3F

Дополнительные программные функции Teseo-LIV3F

Teseo-LIV3F имеет три дополнительных программных функции: логирование, геофенсинг, одометр.
Логирование данных. В Teseo-LIV3F возможно периодическое сохранение параметров во встроенной Flash-памяти объемом 16 Мбит. Модуль поддерживает три формата записей (три типа логов), отличающихся набором сохраняемых данных (координаты, скорость, одометр, высота над уровнем моря и другие). Одновременно выполняется только один лог. Если работать с первым форматом записей (log-type 1) и сохранять информацию раз в секунду (1 Гц), то объема памяти хватит на 12 часов.
Геофенсинг – новая и достаточно интересная технология, активно используемая в современных операционных системах, например, в iOS. Ее суть заключается в выполнении каких-либо действий при попадании навигатора в заданную область.
Одометр – простая, но полезная функция измерения пройденного расстояния. Она особенно интересна любителям здорового образа жизни.

Средства разработки и отладки для Teseo-LIV3F

Традиционным преимуществом продуктов STMicroelectronics является отличная фирменная аппаратная и программная поддержка. Без сомнения, Teseo-LIV3F не станет исключением. На настоящий момент компания STMicroelectronics анонсировала два отладочных набора – X-Nucleo-GNSS1A1 и EVB-LIV3F (рисунок 9), а также фирменную утилиту для настройки и прошивки модулей TESEO-SUITE.

Рис. 9. Отладочные наборы для Teseo-LIV3F

Рис. 9. Отладочные наборы для Teseo-LIV3F

Плата X-Nucleo-GNSS1A1 предназначена для работы с аппаратным стеком Nucleo.
Оценочный набор EVB-LIV3F работает в автономном режиме.
Для настройки Teseo-LIV3F предполагается использовать среду TESEO-SUITE, которая уже доступна для бесплатного скачивания с сайта компании.

Заключение

Микросхемы спутниковых приемников Teseo II и Teseo III производства STMicroelectronics хорошо знакомы разработчикам. Теперь номенклатура компании пополнилась законченным навигационным модулем Teseo-LIV3F.
Модуль Teseo-LIV3F построен на базе микросхемы Teseo III и отличается поддержкой всех популярных ГНСС: ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou, QZSS.
Среди достоинств Teseo-LIV3F можно отметить наличие встроенной Flash-памяти объемом 16 Мбит для логирования данных и хранения прошивки, малые габариты (9,7×10,1 мм), поддержку Assisted GNSS, возможность работы с активной и пассивной антенной, встроенные программные функции (геофенсинг, одометр) и одновременную поддержку коммуникационных интерфейсов I²C и UART.

Литература

1. UM2231 User manual. Teseo-LIV3F GNSS Module – Hardware Manual. Rev.1. STMicroelectronics, 2017;
2. UM2229 User manual Teseo-LIV3F GNSS Module – Software Manual. Rev.2. STMicroelectronics, 2017;
3. www.st.com.

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
STA8088FGTR (ST) 8 814 8.5330 $ 491.93 руб. от 2 500 шт
STA8089FGTR (ST) 5 000 6.2496 $ 360.29 руб. от 2 500 шт
STA8090FGTR (ST) 4 000 7.0308 $ 405.33 руб. от 4 000 шт
STA8090FG (ST) 3 321 12.37 $ 713.33 руб. от 5 шт
TESEO-LIV3F (ST) 0 10.69 $ 616.14 руб. от 47 шт
KL3333 (НАВИА) 820 8.9110 $ 513.72 руб. от 57 шт
KL3333-DEMO (НАВИА) 1 52.18 $ 3008 руб. от 1 шт
L76L-M33 (QUECTEL) 350 7.5240 $ 433.77 руб. от 67 шт
L76LEVB-KIT (QUECTEL) 3 69.02 $ 3979 руб. от 8 шт