RECEPTOR GPS

Subsistemas Electrónicos de Comunicaciones Curso

2009-2010

Javier Cambra Enguix

Marc Tena Gil

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1 Índice

1. Índice

2. Introducción

3. Cómo funciona el sistema GPS

3.1. Principio de funcionamiento del GPS

3.2. Arquitectura del sistemas GPS

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 bloques

5. 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. ADC

6. Procesado de la información

6.1. DSP/CPU

6.2. Memorias

7. 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 IrDA

8. 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 Management

9. Conclusiones

10. Bibliografía y referencias

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2 Introducción

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un sistema de localización, diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militares para proporcionar estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo; operativo desde 1995 utiliza

conjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) para determinar por triangulación, la altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en la superficie terrestre. En el ámbito civil y por razones de seguridad sólo se permite el uso de un subconjunto degradado de señales GPS. Sin embargo se han encontrado alternativas para obtener una excelente precisión en la localización mediante las técnicas diferenciales. Gracias a ellas las aplicaciones civiles han experimentado un gran crecimiento.

3 Cómo funciona el sistema GPS

3.1 Principio de funcionamiento del GPS

Cada 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 la

frecuencia de una vibración atómica.

El satélite emite señales personalizadas que indican la hora en que partieron del satélite. En

tierra, un receptor o nevegador tiene guardadas en su memoria las coordenadas exactas de las

órbitas de todos los satélites de la constelación.

Sabiendo que en el vacio una onda electromagnetica se propaga a la velocidad de la luz, es

decir 299.338km/s. Al recibir la señal un navegador puede reconocer el satélite que la ha

emitido, determinar el tiempo que ha tardado en llegar y calcular con exactitud a que distancia

se 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 de

las condiciones atmosféricas. El receptor GPS debe realizar complejos cálculos matemáticos

para 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 una

esfera 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 qué

distancia de éste se encuentra dentro de la esfera.

Si se suma un segundo satélite, en la interesección de ambas esferas se establece un área en

cuyo interior se encuentra el navegador.

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Combinando tres satélites se determina un punto común donde se encuentra el navegador

cuya posición se quiere determinar.

Para que el cálculo de la distancia sea exacto, los receptores deberían contar también con un

reloj atómico, pero no es posible debido a su elevado coste. Los navegadores cuentan con

relojes 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 otras

tre 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

de la cuarta esfera al punto indica al receptor què cálculo debe corregir para ser posicionad

correctamente.

3.2 Arquitectura del sistemas GPS

El GPS funciona mediante una red de 27 satélites (24 operativos y 3 de respaldo) en órbita

sobre el globo, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de

la Tierra.

El Sistema Global de Navegación por Satélite lo componen:

Sistema de satélites. Está formado por 24 unidades con trayectorias sincronizadas para cubrir

toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitales de

4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamiento la adquieren a

partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a sus costados.

Estaciones terrestres. Envían información de control a los satélites para controlar las órbitas y

realizar 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 muy

débiles 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 generación

de 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 la

distancia realizando un desplazamiento temporal de su código pseudo-aleatorio hasta lograr la

coincidencia con el código recibido; este desplazamiento corresponde al tiempo de vuelo de la

señal. Este proceso se realiza de forma automática, continua e instantánea en cada receptor

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La utilización de estos códigos pseudo-aleatorios permite el control de acceso al sistema de

satélites, de forma que en situaciones conflictivas se podría cambiar el código, obligando a

todos los satélites a utilizar una banda de frecuencia única sin interferencias pues cada satélite

posee un código GPS propio.

Aunque la velocidad de los satélites es elevada (4 Km./s), la posición instantánea de los

mismos puede estimarse con un error inferior a varios metros en base a una predicción sobre

las posiciones anteriores en un período de 24

a 48 horas. Las estaciones terrestres revisan periódicamente los relojes atómicos de los

satélites, dos de cesio y dos de rubidio, enviando las efemérides1 y las correcciones de los

relojes, ya que la precisión de los relojes y la estabilidad de la trayectoria de los satélites son

claves en el funcionamiento del sistema GPS.

3.3 Fuentes de error

A continuación describimos las fuentes de error que en la actualidad afectan de forma

significativa a las medidas realizadas con el GPS:

Perturbación ionosférica. La ionosfera está formada por una capa de partículas cargadas

eléctricamente que modifican la velocidad de las señales de radio que la atraviesan.

Fenómenos meteorológicos. En la troposfera, cuna de los fenómenos meteorológicos, el vapor

de agua afecta a las señales electromagnéticas disminuyendo su velocidad. Los errores

generados son similares en magnitud a los causados por la ionosfera, pero su corrección es

prácticamente imposible.

Imprecisión en los relojes. Los relojes atómicos de los satélites presentan ligeras desviaciones

a pesar de su cuidadoso ajuste y control; lo mismo sucede con los relojes de los receptores.

Interferencias eléctricas imprevistas. Las interferencias eléctricas pueden ocasionar

correlaciones erróneas de los códigos pseudo-aleatorios o un redondeo inadecuado en el

cálculo de una órbita. Si el error es grande resulta fácil detectarlo, pero no sucede lo mismo

cuando las desviaciones son pequeñas y causan errores de hasta un metro.

Error multisenda. Las señales transmitidas desde los satélites pueden sufrir reflexiones antes

de alcanzar el receptor. Los receptores modernos emplean técnicas avanzadas de proceso de

señal y antenas de diseño especial para minimizar este error, que resulta muy difícil de

modelar al ser dependiente del entorno donde se ubique la antena GPS.

Interferencia "Disponibilidad Selectiva S/A". Constituye la mayor fuente de error y es

introducida deliberadamente por el estamento militar.

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Topología receptor-satélites. Los receptores deben considerar la geometría receptor-satélites

visibles utilizada en el cálculo de distancias, ya que una determinada configuración espacial

puede aumentar o disminuir la precisión de las medidas. Los receptores más avanzados

utilizan un factor multiplicativo que modifica el error de medición de la distancia (dilución de la

precisión geométrica)

Las fuentes de error pueden agruparse según que dependan o no de la geometría de los

satélites. El error debido a la Disponibilidad Selectiva y los derivados de la imprecisión de los

relojes son independientes de la geometría de los satélites, mientras que los retrasos

ionosféricos, troposféricos y los errores multisenda dependen fuertemente de la topología. Los

errores procedentes de las distintas fuentes se acumulan en un valor de incertidumbre que va

asociado 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 único

canal y bajo coste, que calcula la distancia a cuatro satélites en un intervalo de 2 a 30

segundos. Ahora bien, la precisión de las medidas se ve afectada por el movimiento del satélite

durante el cómputo y por el tiempo que se tarda en obtener las posiciones, debido a lecturas

repetitivas de todos los mensajes de la constelación

El requerimiento de una localización precisa y continua en tiempo real, ha conducido al

desarrollo de receptores con un mayor número de canales (8-12) capaces de disminuir al

máximo el error de localización utilizando los métodos de posicionamiento diferencial. Así, un

receptor GPS ubicado en una posición conocida de la Tierra calcula su distancia a un conjunto

de satélites; la diferencia entre la posición calculada y la localización exacta del receptor

constituye el error en la medida. Este error se transmite en un código predefinido (RTCM Radio

Technical Commision Maritime) y cualquier usuario-receptor con capacidad de corrección

diferencial puede acceder a él para corregir su posición. Esta técnica elimina prácticamente los

errores S/A siempre que el receptor diferencial esté próximo a la base emisora de la

corrección.

Las correcciones pueden enviarse desde una estación base propiedad de los usuarios, desde

una estación base virtual (por ejemplo el servicio Omnistar) y vía estaciones de radio

comerciales (Rasant). En todos estos casos el modo de operación del DGPS se denomina de

área global (WADGPS) ya que el error debido a cada satélite se procesa de modo individual.

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4 Receptor GPS

4.1 Diagrama de bloques

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5 Recepción de la señal del satélite

5.1 Antena del GPS

Los receptores GPS utilizan antenas del tipo omnidireccional. Hemos elegido una antena GPS

de la marca DISTCOM ANTENAS, serie AAP-1000.

Esta en concreto tiene un diagrama de radiación del tipo Omniacimutal con una elevación de

40º a 90º. Dadas las características móviles del receptor, debemos tener una antena con un

diagrama lo más omnidireccional que podamos para poder recibir la mayor cantidad de señal

posible en todas las direcciones.

El tipo de polarización es circular a Derechas con una relación axial <3dB. La ganancia varía

desde los 5dB de la variante pasiva hasta los 30dB (antena + amplificador) de las variantes

activas 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 en

el rango de 3 a 5 voltios, niveles de salida comúnmente suministrados por la mayoría de

receptores.

CARACTERÍSTICAS

Ganancia [5dBi - 30dB] según variante Polarización RHCP (Circular a derechas) Relación axial <3dB Diagrama de radiación Omniacimutal 40º a 90º en elevación Frecuencia 1.559GHz-1.591GHz Voltaje DC 3V-5V (Variantes activas) Impedancia 50 Ohmios

En la figura siguiente se muestra el diagrama de radiación que presentaría esta antena.

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5.2 Filtro SAW

La necesidad de altas prestaciones y la tendencia cada vez mayor de reducir las dimensiones hacen que en las últimas décadas los filtros acústicos hayan tomado el mercado de los filtros de radiofrecuencia. Hoy en día los filtros SAW (Surface Acoustic Wave) son los dominadores del mercado

Los filtros cerámicos son los clásicos filtros de microondas que usan elementos distribuidos. Estos elementos son stripline o microstrip, y reducen las perdidas considerablemente respecto a los filtros de elementos discretos, especialmente a altas frecuencias.

El problema que plantean estos filtros es su excesivo tamaño. Este inconveniente ha motivado la 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 filtros cerámicos. En este tipo de filtros la onda es acústica y la velocidad de propagación de la onda acústica en los materiales que se usan para la realización de estos filtros es muy baja en proporción a la velocidad de propagación de la onda electromagnética, del orden de 104 veces menor.

Los dispositivos SAW están constituidos por unas estructuras metálicas que reciben el nombre de transductores interdigitales (IDTs) colocadas sobre un sustrato piezoeléctrico.

En este tipo de dispositivos se aplica una tensión eléctrica en la entrada que produce una serie de campos eléctricos entre los IDTs, que a su vez crea una tensión mecánica entre ellos. Estas tensiones mecánicas se comportan como fuentes de ondas acústicas. Si la distancia entre los fingers de un mismo lado corresponde a la longitud de onda a la frecuencia de trabajo del filtro las ondas acústicas se sumarán en fase y crearan una onda de longitud mayor [2]. En el lado de

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la salida sucederá el proceso inverso: las ondas acústicas producirán campos eléctricos que generarán una tensión a la salida.

Estos filtros proporcionan buena estabilidad, bajas perdidas de inserción, poca distancia entre la banda de paso y la de rechazo del filtro y un tamaño muy reducido. Por otra parte tienen los inconvenientes de que no funcionan correctamente a frecuencias por encima de 2.5 GHz, no es recomendable exceder 1 W de potencia por problemas de sobrecalentamiento y el sustrato piezoeléctrico que usan no es compatible con los procesos de fabricación actuales.

Una vez dada una pequeña introducción teórica elegiremos un SAW disponisble en el mercado. La frecuencia central de la banda comercial del GPS es de 1575.42 Mhz.

Fo [MHz]

Oscilent Part Number [ pdf spec ]

BW

[MHz]

Insert

Loss

[dB]

PB

Ripple

[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 0.1

Para nuestro diseño hemos elegido 3 tipos de filtro SAW de la marca Oscilent, especialmente indicados para nuestra aplicación de GPS en banda comercial. De estos 3 nos quedamos con el Modelo 801-RF1575.42M-D ya que presenta un rizado y unas perdidas de paso menores en

comparación a los otros dos.

OPERATING CONDITIONS / ELECTRICAL CHARACTERISTICS

PARAMETERS Condition Minimum Typical Maximum Units

Center Frequency (Fo) - - 1575.42 - MHz

Maximum Insertion Loss 1574.42~ 1576.42 MHz - 1.0 1.5 dB

Source Impedence (single ended)* - - 50 - ohm

Load Impendance (single ended)* - - 50 - ohm

VSWR 1574.42~ 1576.42 MHz - 1.1 1.5 -

Amplitude Ripple 1574.42~ 1576.42 MHz - 0.1 0.5 dBp-p

Maximum DC Voltage - - - 7.5 V

Maximum Input Power - - - 20 dBm

Operating Temperature - -40 - +85 ºC

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La impedancia de fuente y de carga de filtro es de 50ohm, por tanto se adecua a las especificaciones de impedancia de la antena elegida anteriormente.

5.3 Amplificador LNA

Las siglas LNA significan Low Noise Amplifier. Este tipo de amplificador se usa cuando la señal

que 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

alrededor de -130dBm

Para este caso hemos elegido un Amplificador LNA de la marca NEC especialmente indicado

para aplicaciones GPS y Wireless.

De esta gama de amplificadores hemos elegido el uPC2746T ya que su frecuencia central es de

1.5Ghz, es decir, está centrado en la banda de GPS comercial.

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En la tabla anterior vemos que las especificaciones del LNA se adecuan a nuestro diseño en

cuanto a tensión de alimentación, impedancia de fuente y carga, etc.

5.4 Sintetizador de frecuencia

Para implementar el bloque del sintetizador de frecuencia hemos elegido el UPB1005GS

también de la marca NEC. Este sintetizador está indicado para aplicaciones GPS y contiene

todos los bloques que necesitamos para nuestro diseño.

En la siguiente tabla observamos los valores de tensión y frecuencias de referencia que

deberemos aplicar al circuito integrado.

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El sintetizador de frecuencia será el bloque encargado de seleccionar el canal o canales de

recepción del sistema.

Los osciladores LC y a cristal de cuarzo presentan ventajas y desventajas. Para los osciladores

LC, tenemos la posibilidad de variar la frecuencia pero con muy poca estabilidad de esta, en

cambio los osciladores a cristal de cuarzo presentan una muy buena estabilidad en frecuencia

pero muy poca variabilidad de la misma.

Otro de los motivos por el cual usamos este tipo de circuito, es que los osciladores de cristal de

cuarzo tienen frecuencias de resonancia relativamente bajas, entorno al los pocos MHz,

usando un sintetizador de frecuencia podremos conseguir frecuencias elevadas como es el

caso 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 Cuarzo

Para lograr las frecuencias de referencia del aparatado anterior necesitamos colocar entre los

pines pertinentes unos circuitos resonantes muy estables. Utilizaremos los cristales de cuarzo

tal y como hemos indicado anteriormente.

En la siguiente figura vemos cual sería el equivalente circuital del cristal de cuarzo.

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Los siguientes esquemas son los que normalmente se usan a la hora de implementar

osciladores. La figura de la izquierda corresponde a la estructura en modo paralelo mientras

que la figura de la derecha se trata de un oscilador en modo serie.

La siguiente figura muestra la grafica de la Impedancia del Cristal de cuarzo. Nosotros vamos a

trabajar en la zona de resonancia paralelo

Circuitos Osciladores Serie

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en

su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación

Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan,

pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la

realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia

impredecible.

Circuitos Osciladores Paralelo

Un circuitos oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor

específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor

que 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 las

mismas funciones que en el circuito del oscilador resonante serie, con dos capacitores en la

realimentación, que componen la capacidad de carga y en conjunto con el cristal darán lugar a

la frecuencia a la cual oscilará el circuito.

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El cristal resonante paralelo estará especificado para trabajar con una deteminada capacidad

de carga a la frecuencia deseada y con la tolerancia y estabilidad deseadas. La capacidad de

carga 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.

A continuación vemos la grafica de la impedancia del cristal de cuarzo.

5.6 ADC

El Convertidor Analógico Digital es un dispositivo electrónico capaz de convertir una entrada

analógica de voltaje en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar

señales analógicas de entrada a digitales en la salida.

En nuestro caso las señales procedentes de la primera etapa del sistema vendrán en formato

analógico 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 las

especificaciones de nuestro diseño. A continuación se muestra el esquema de bloques de este

dispositivo, así como alguna de sus características principales.

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En cuanto a las especificaciones observamos que este dispositivo puede alimentar con 2.7 y 5V

por 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 salida

DOUT después de cada conversión. Estas muestras serán enviadas al procesador del sistema.

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6 Procesado de la información

6.1 DSP/CPU

La elección de un tipo determinado de CPU o DSP (Un DSP no es más que una CPU

especializada para realizar ciertas tareas más eficientemente) es complicada de llevar a cabo

sin tener unas especificaciones claras del sistema a implementar o sin tener unos

conocimientos más profundos sobre todo el sistema GPS, para poder determinar así si es más

necesario por ejemplo que el micro pueda hacer en menos ciclos operaciones enteras, de

coma flotante, etc.

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La CPU/DSP va a ser el encargado de manejar todo el sistema: manejo de energía, control

displays y leds, enviar señales a los diferentes controladores, de ordenar a los DAC y ADC que

cumplan sus tareas, y una mucho más extensa lista.

Buscando en la página de Texas Instruments se nos sugieren varios procesadores para

aplicaciones de GPS (solo se incluyen algunas características como muestra)

CPU RISC Frequency(MHz) MMC/SD Core

Supply

(Volts)

USB

AM3505(ARM

Cortex-A8)

500 3 1.2 2

OMAP3503 (ARM

Cortex-A8 )

600 3 0.8 to 1.35 2

6.2 Memorias

De las memorias poco hay que comentar, simplemente habría que elegirlas de la capacidad

necesaria para almacenar los programas y los datos que necesite el sistema para funcionar

(típico esquema microprocesador, con arquitectura Von Newman por ejemplo) y que cumplan

los requisitos temporales tanto del procesador como del resto de componentes del sistema

que necesiten tener acceso a ellas.

En los bloques de memoria EPROM (no volátil) se almacena el código de programa para que

pueda funcionar la CPU, tablas de datos, posiciones de los satélites, y otros valores que no

varían.

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 muchos

otros datos que utiliza el sistema.

Los bloques de FLASH son memoria no volátil en los que se puede escribir, al contrario que en

la 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 como

expansión de la memoria interna del GPS o para añadir nuevos mapas que se lleven guardados

en dicha tarjeta.

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7 Interfaz de entrada y salida

7.1 Display LCD táctil

Las pantallas táctiles (Touch Panels) resistivas permiten detectar una pulsación o "toque" en

cualquier punto de su superficie generando una tensión proporcional al lugar donde se haya

realizado. El controlador asociado a ellas (Touch Control) se encarga de calcular, en función de

esa 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

pantalla LCD convencional. El CPU será el encargado de gestionar el controlador de pantalla

táctil.

Hemos elegido el modelo HT057A-NDOFG45 que por sus dimensiones, 129.1 x 101.7 x 1.35

mm, se adecua a los requerimiento de tamaño de nuestro receptor.

Es una pantalla táctil (Touch Panel) resistiva de 4 hilos que conectaremos con el circuito

controlador TSC2005 de texas instruments.

El precio de este dispositivo táctil es de 16€

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7.2 Controlador de pantalla táctil

El TSC2005 es un controlador de pantalla táctil de muy baja potencia de la marca Texas

Instruments.

Está diseñado para trabajar con aplicaciones portátiles basadas en avanzados procesadores de

bajo voltaje. Trabaja con una tensión de alimentación de hasta 1.6V aunque también puede

trabajar a 3.3V.

Contiene un completo conversos A/D de muy baja potencia, de 12 y un convertidor resistivo

de 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 de

25Mhz que se usara para intercambiar información con el CPU del sistema.

7.3 CODEC de Audio

Para el codec de audio elegimos tlv320aic12k de Texas Instruments(1.6$/1000 units), pues

nuestras necesidades van a ser del mínimo consumo posible ya que en la mayoría de las

situaciones los GPS se alimentan con batería. Lo hemos elegido MONO, ya que sólo se necesita

que 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 hace

estar 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 suficiente

para 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 normal

del mercado, aunque dependiendo del resto de componentes del circuito cabría elegir una de

mayor tensión y luego utilizar los boost-buck converters para seleccionar un nivel adecuado y

estable para cada componente del sistema (A nosotros, en un principio nos sirve con ésta).

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mayor tensión y luego utilizar los boost-buck converters para seleccionar un nivel adecuado y

estable para cada componente del sistema.

Como podemos observar la respuesta en frecuencia de los filtros del dispositivo corresponden

con 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 GPS

para un coche, para poder darle indicaciones verbales al aparato, que estas sean tratadas por

la CPU/DSP y se traduzcan en acciones sin tener que manejar la pantalla táctil o los botones

de control y perder la concentración en la conducción.

Resaltar que puede ser necesario utilizar alguna técnica de cancelación de ECO para un

correcto funcionamientoma del micro.

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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 salidas

de audio y reducir así el consumo.

Nota: El TLV320C5x es un dispositivo de comunicación serie.

7.4 Puertos de entrada y salida

7.4.1 USB e IrDA

Elegimos el modelo TUSB3410 (2,7$/1000units) de propósito general de TI que nos va a hacer de

puente entre el PC y el puerto de comunicaciones serie del procesador del GPS. Además lleva incluido

un puerto infrarrojo (IrDA), así pues, matamos dos pájaros de un tiro. Coincide con el rango de

temperatura de operación del codec de audio, y en niveles de tensión, pudiendo así alimentar

ambos 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 de

adaptar los datos a los diferentes tipos de señales requeridas.

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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.

8 Alimentación del sistema

Un pequeño comentario antes de explicar los diferentes apartados.

En un equipo GPS, dependiendo de la aplicación se puede tener en cuenta más de una forma

de alimentación.

Por ejemplo, si el sistema va instalado en un smartphone o en un equipo GPS portátil se tiene

la ineludible necesidad de una batería. Si lo empleamos en un coche, aparte de la batería, otra

fuente 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 batería

como para poder utilizarlo sin ella (comentar que quizás sea necesario colocar algún filtro para

evitar 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 de

transporte se incluyen enchufes (la tensión y frecuencia varían dependiendo de la zona

geográfica) para poder conectar diferentes dispositivos. En este caso cabría tener en cuenta el

diseño de una etapa AC/DC para conseguir el nivel de tensión continua necesario para la

aplicación.

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8.1 LDO

Esquema genérico de un LDO:

Un LDO (low-dropout) es un regulador de tensión continua que funciona con tensiones

diferenciales entrada salida muy pequeñas. En este tipo de circuitos tenemos el transistor

trabajando en su zona lineal (zona óhmica).

El principal componente que forma el LDO es un FET de potencia (tipo N en el dibujo) y un

amplificador 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 en

una de las entradas y una monitorización de la tensión de salida en la otra (mediante un divisor

resistivo); si la diferencia entre ellas crece, el canal del FET varía de tal manera que se

mantiene la tensión constante a la salida.

En nuestro proyecto utilizaremos los LDO para la alimentación general del circuito, para la

etapa de RF, alimentación analógica y digital.

En un principio hemos elegido una batería de 3,3 V

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8.2 DC/DC Boost Converter

El Boost converter lo vamos a utilizar para alimentar el LCD y los LED del equipo.

Es 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 (Diodo

y transistor). Se le suele añadir bobinas y condensadores (a modo de filtro) para reducir el

rizado 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 bajar

la tensión en un único integrado.

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8.3 DC/DC Buck Converter

Es un convertidor de una tensión continua de entrada a una tensión continua de salido

inferior.

En nuestro esquema lo vamos a emplear para alimentar el núcleo del DSP/CPU al que se le va a

proporcionar 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 Supervisor

El supervisor de tensión de alimentación controla que el nivel de tensión sea el adecuado para

todos los dispositivos, generando una señal de reset que se mantendrá activa mientras las

condiciones de alimentación no superen el umbral, evitando así problemas de mal

funcionamiento.

También cabría mencionar los watch & dog que se colocan en los sistemas microprocesadores

para que no se queden colgados indefinidamente ya sea por fallo HW o SW y forzar un reset

global tras cierto tiempo.

Como siempre, elegiríamos uno adecuado a nuestras necesidades tanto de tensión, como de

corriente, temperatura y otros parámetros a tener en cuenta.

Un ejemplo podría ser el TPS3838 de Texas Instruments (0.85 $/ 1000 units).

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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.

-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 la

red para reducir el número de ciclos de carga de la batería (aumentando así su vida útil), entre

muchas 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.

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La sección de Integrated Power Management sería básicamente como la sección de la batería

pero para todo el circuito en general.

9 Conclusiones

En este trabajo hemos aprendido la dificultad que tiene el realizar un diseño a partir de un

diagrama de bloques genérico que nos facilite un fabricante. Hemos tratado de encontrar

dispositivos electrónicos que fueran más o menos compatibles en cuanto a tensiones de

alimentación y características generales aunque a modo orientativo, ya que no disponíamos de

especificaciones concretas de diseño.

Por otra parte este trabajo nos ha servido para entender el funcionamiento general de un

sistema tan conocido y usado en la actualidad como es el GPS. Además, hemos conocido

dispositivos nuevos, que no habíamos visto durante la carrera, como es el filtro SAW y los

subsistemas 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 caso

hemos hecho una estimación orientativa del coste de nuestro diseño, aunque muchas de las

unidades dependen de la cantidad de componentes que compremos al fabricante.

A continuación presentamos una tabla con los distintos precios.

Componente Precio

Antena 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 $

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10 Bibliografía y referencias

http://en.wikipedia.org/wiki/

http://www.ti.com/

http://www.oscilent.com/catalog/

http://www.datasheetarchive.com/

http://www.msebilbao.com/