在車載系統(tǒng)中，除了行車操控息息相關(guān)的車體、傳動(dòng)及安全系統(tǒng)開始導(dǎo)入更多電子功能外，最充分利用電子技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)是資通娛樂系統(tǒng)。這個(gè)結(jié)合資訊、通訊和娛樂的車載應(yīng)用系統(tǒng)，正是電子技術(shù)進(jìn)展最快速的三大領(lǐng)域，當(dāng)它們被轉(zhuǎn)移到汽車的市場(chǎng)時(shí)，也發(fā)展出獨(dú)到的應(yīng)用型式與技術(shù)。
GPS擔(dān)綱Telematics主角
在這個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)的新名詞為Telematics，它是是通訊(Telecommunication)和資訊(Information)的合成字，顧名思義，它意指整合通訊與資訊的新興車載應(yīng)用。在產(chǎn)品定位上，可以分為可攜式設(shè)備(Portable Device)和車裝式設(shè)備(In-vehicle)兩種，這兩類設(shè)備又可依是否具備對(duì)外的通訊功能，再將Telematics的市場(chǎng)區(qū)隔分為四大塊。
GPS導(dǎo)航定位在Telematics中具有關(guān)鍵性的地位，車載GPS系統(tǒng)除了可為駕駛提供導(dǎo)航資訊外，當(dāng)它與無線通訊技術(shù)(如GPRS/3G)結(jié)合時(shí)，它能提供定位資訊給Telematics的服務(wù)供應(yīng)商，如裕隆的TOBE、北美GM的OnStar，以及日系的Toyota、Honda、Nissan車廠。當(dāng)他們的服務(wù)中心收到個(gè)別車子的位置資訊后，就能夠?yàn)檐囍魈峁┑缆肪仍?、失車找回等服?wù)。當(dāng)然，計(jì)程車或公車、游覽車也可運(yùn)用GPS來發(fā)揮車隊(duì)追蹤及控管的功能。
另一個(gè)與GPS息息相關(guān)的應(yīng)用則與緊急救難有關(guān)。在美國有一項(xiàng)e911的計(jì)畫，它要求手機(jī)中必須建置定位功能，以做為緊急狀況通報(bào)之用;e911屬于個(gè)人性的緊急救難策略，相較之下，歐盟則提出汽車駕駛緊急救難相關(guān)的eCall計(jì)畫，預(yù)定在2009年9月以后，歐盟全部的新車都要具有eCall的配備，此配備將結(jié)合碰撞偵測(cè)、GPS和行動(dòng)通訊三大功能，在第一時(shí)間自動(dòng)向泛歐統(tǒng)一的緊急電話號(hào)碼112進(jìn)行通報(bào)，除了車輛地理位置之外，eCall還設(shè)定可傳送數(shù)據(jù)資料，以語音和資訊雙重管道讓112接線人員來判定合適的救援方式。
GPS在車載系統(tǒng)中已逐漸成為必備裝置，而且不斷發(fā)展出加值功能。本文將介紹車載GPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)、要領(lǐng)、天線設(shè)計(jì)及其他前瞻性的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
GPS系統(tǒng)架構(gòu)剖析
在用戶端的GPS裝置是一單向的GPS訊號(hào)接收機(jī)，它會(huì)接收來自天空中導(dǎo)航衛(wèi)星的定位訊號(hào)，這二十多顆衛(wèi)星會(huì)傳送L1及L2兩種訊號(hào)，使用的頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz，一般民用的GPS接收機(jī)只需接收L1于1575.42MHz的頻率。
GPS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理，由GPS接受裝置先找到三顆以上在天頂上的衛(wèi)星所在位置，再計(jì)算每顆衛(wèi)星與接收器之間的距離，就能得出接收器在三維空間中的座標(biāo)值。
再進(jìn)一步來看GPS接收器的系統(tǒng)運(yùn)作流程。GPS衛(wèi)星訊號(hào)會(huì)先由GPS天線來接收，再經(jīng)由RF射頻前端將高頻訊號(hào)轉(zhuǎn)為中、低頻數(shù)位訊號(hào)，再傳送到GPS基頻元件，此元件的核心技術(shù)在于相關(guān)器(correlator)的設(shè)計(jì)，也就是透過相關(guān)器來比對(duì)找出正確的衛(wèi)星編號(hào)，進(jìn)而比照取得多顆衛(wèi)星的萬年歷(Almanac)和廣播星歷(Broadcast Ephemeris)等資料。愈多通道的相關(guān)器意味著能更快速找到衛(wèi)星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個(gè)通道的相關(guān)器，更高階的接收器則具有16個(gè)，甚至是32個(gè)通道的相關(guān)器。
GPS接收器硬體架構(gòu)示意圖
GPS接收器的控制功能是由微處理器或微控制器來實(shí)現(xiàn)，此一處理核心可以來自外部，也能嵌入在GPS基頻元件當(dāng)中。目前較初階的GPS接收器產(chǎn)品常用ARM7做為核心，高階的機(jī)種則會(huì)升級(jí)到ARM9核心。此外，這類元件也會(huì)具備微處理器支援功能，例如UART和即時(shí)時(shí)鐘(RTC)。
星歷資料會(huì)以NMEA 0183或RTCM等格式輸出到主處理器，進(jìn)一步與GIS地圖引擎整合以顯示所在街道位置，或透過無線通訊介面?zhèn)鞒鑫恢觅Y訊，讓遠(yuǎn)端的伺服器能提供進(jìn)一步的位置相關(guān)服務(wù)。NMEA 0183是GPS慣用的一種標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)定，它採用簡(jiǎn)化ASCII的序列通訊協(xié)定來定義數(shù)據(jù)傳送的格式。
當(dāng)GPS採用差分定位(DGPS)的輔助定位模式，如美國的WAAS或歐洲的EGNOS系統(tǒng)時(shí)，則需輸出RTCM或NTRIP 1.0的協(xié)定格式。此外，由于不同的接收機(jī)所提供的原始資料格式通常會(huì)不同，當(dāng)有需要針對(duì)不同型號(hào)接收機(jī)收集的資料進(jìn)行統(tǒng)一處理，就必須建立 GPS 通用資料交換格式，目前業(yè)界普遍採用的格式為RINEX。
GPS硬體架構(gòu)選擇要領(lǐng)
綜上所述，一部車載GPS的硬體系統(tǒng)架構(gòu)中，主要的單元包括天線、RF前端、基頻/相關(guān)器、處理器核心，此外，還包括記憶體、匯流排介面。這些單元可以採離散式(discrete)的作法來提高設(shè)計(jì)上的彈性，也能採整合式的策略，將多個(gè)單元整合為一顆系統(tǒng)單晶片(SoC)、單封裝(SiP)或模組，以降低設(shè)計(jì)的難度及成本。
當(dāng)系統(tǒng)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須在效能、成本與彈性三大評(píng)量要件中進(jìn)行選擇。以效能來說，GPS接收器的效能指標(biāo)有四項(xiàng)，分別是：準(zhǔn)確性(Position accuracy)、靈敏度(Sensitivity)、第一次定位時(shí)間(Time to first fix，TTFF)及通道數(shù)量(channel number)。當(dāng)這四項(xiàng)效能指標(biāo)都要求達(dá)到最高時(shí)，就必須強(qiáng)調(diào)接收器的處理器效能、相關(guān)器通道數(shù)量、記憶體容量及高速的對(duì)外連結(jié)介面，如此一來，產(chǎn)品的成本自然會(huì)大幅提升，這時(shí)大眾市場(chǎng)未必能夠接受，因此往往必須做一些必要的妥協(xié)。
目前的技術(shù)已能將GPS接收器架構(gòu)中的射頻及基頻整合在一起，而高整合度的產(chǎn)品能提供更佳的成本效益。以ST的STA2056為例，它將基頻與射頻功能整合于小型的QFN-68封裝之中。它在基頻部分採用ARM7TDMI為核心，時(shí)脈可高達(dá)66MHz;在射頻部分為主動(dòng)天線系統(tǒng)，含有易與被動(dòng)天線連接的介面;此外，它還內(nèi)建ROM及SRAM記憶體。由于只需要用到少數(shù)的外部元件，因此能降低總體物料(BOM)成本;其小尺寸能讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為輕薄短小，而且具有低功耗的優(yōu)勢(shì);不僅如此，此類整合性產(chǎn)品也讓工程師省下調(diào)校射頻與基頻整合的研究心力，能加速產(chǎn)品上市時(shí)間。
具成本效益的GPS接收器架構(gòu)，以STA2056為例
如果強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)上的彈性，通常會(huì)選擇射頻與基頻分離的方案，在基頻元件方面還會(huì)嵌入Flash的記憶體，并支援較豐富的匯流排介面。以ST的STA2058為例，它整合了32位元微處理器ARM7TDMI和一個(gè)嵌入式快閃記憶體(embedded flash)，并廣泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面，以及RTCA-SC159/WAAS/EGNOS等GPS系統(tǒng)。此外，STA2058EX更擁有外接記憶體介面，可以用作遠(yuǎn)端資訊處理服務(wù)平臺(tái)，允許免黏接邏輯(glueless)而與外部裝置(如：GSM/GPRS模組、晶片卡、音頻功能DSP)相連，非常適用于車輛應(yīng)用。