De Rockwell Jupiter GPS module

Inleiding

De Rockwell Jupiter TU30-D140 is een GPS ontvangst module, geschikt voor OEM (Original Equipment Manufacterers). Met andere woorden, bedoeld om onderdeel te worden van een groter geheel. Denk daarbij aan een boordcomputer van een boot of auto, een klok voor een computersysteem, een tijdbasis voor een mobiel communicatienetwerk enz.

De module is 4 bij 7 cm groot, heeft een 20 polige connector voor de diverse signalen en voeding en een MCX connector om de GPS antenne op aan te sluiten.

Om de module te kunnen gebruiken heb je niet zoveel nodig: een 5V voeding, een antenne en een ttl naar rs232 converter als je de module op de pc aan wilt sluiten.

De module is een 12 parallel-kanaals ontvanger, dwz hij ontvangt maximaal 12 satellieten simultaan met 12 correlatoren. Bestudeer voor de exacte specificaties deze documenten in Adobe Acrobat formaat. Ze staan op de cdrom als je die bij de module gekregen hebt, of zijn te vinden op Internet. Zie de lijst met URL's aan het eind van deze tekst.

Ik wil de ervaringen die ik tot nu toe heb opgedaan met deze modules in deze tekst met de andere bezitters delen, en op deze manier een experimenteerders handleiding maken. Deze info is onvolledig en misschien zelfs fout. Voor de "echte" documentatie raadpleeg de acrobat pdf files op onderstaande links.

Antenne aansluiting.

Dit is een haakse MCX connector, ook wel OSX genoemd. Hij is tamelijk onbekend bij radioamateurs en andere electronica hobbyisten, alhoewel hij vrij gangbaar is in het GPS/GSM wereldje. Er zijn aktieve GPS antennes die al met zo'n connector aan de kabel afgemonteerd zijn en die je dus direct op de module aan kunt sluiten, maar de meeste antennes hebben een SMB of een BNC connector.

Mogelijk heb je een kabeltje bij de module gekregen waar je zelf een andere connector op aan kunt sluiten. Denk er bij het monteren van dit kabeltje op b.v. een BNC chassisdeel aan dat je de eventuele impedantiesprong zo kort mogelijk houdt: dus de coaxkabel over een lengte van maximaal 2 cm uitsplitsen en dan de BNC aansluiten. Het niet-coaxiale gedeelte van de verbinding moet zo kort mogelijk zijn. Gebruik nog liever een BNC/SMB connector die speciaal bedoeld is voor deze kabel.

Alleen voor de gevorderde SHF amateur: Als je het aandurft is het mogelijk om de haakse MCX connector op het moduul er af te solderen en er een andere connector op te zetten. De haakse connector is een SMD onderdeel en ligt eigenlijk los op de print. Hij zit met 5 soldeerpunten vast: 4 op de hoeken en 1 in het midden. Door de connector met de soldeerbout te verwarmen komen de 4 hoekpunten wel los, maar de center aansluiting wordt niet warm. Daarvoor zal je de stip die in het midden van de cirkel zit aan de andere kant van de print moeten verwarmen. Gebruik geen geweld! Als je de multilayer print kapotmaakt is de module zo goed als verloren.

Antenne

Je kunt zowel een aktieve antenne (met voorversterker) als een passieve antenne gebruiken. De voeding voor de antenne gaat over de coaxkabel en is een aparte aansluiting op de 20 polige signaalconnector. Je kunt dus zowel 3,3V, 5V als 12V aktieve antennes gebruiken door de juiste spanning aan te sluiten op het moduul. Ik heb zelf enkele oppervlakkige testjes gedaan met een simpele passieve antenne (open dipool) en ook dat werkt. Dan sluit je uiteraard niks aan op de antenne-voeding aansluiting van het moduul, want een passieve antenne kan een kortsluiting zijn voor de voeding! Op de cdrom en in de URL lijst hieronder staan enkele bouwbeschrijvingen van GPS antennes. Door de kleine afmetingen en het direct zichtbare resultaat is het een leuk zelfbouw object. Bij gebruik van een passieve antenne moet de kabeldemping op 1,57 GHz zo klein mogelijk zijn, iedere extra verzwakking zal directe consequenties hebben voor de kwaliteit van de ontvangst en dus ook op de positiebepaling.

20 polige interface connector

Deze 2*10 pens connector voert de voeding en alle in- en uitgaande signalen uitgezonderd het GPS antennesignaal. De connector heeft een 2.0 mm pinafstand, wat tamelijk ongebruikelijk is.

20p connector signaal beschrijving

Voor de exacte documentatie hiervan: zie de datasheet in de download pagina.

Pin 1 (rechhoekig soldeervlakje)
Dit is de voedings aansluiting voor de aktieve (met ingebouwde voorversterker) antenne. Deze spanning wordt door de ontvanger op de binnenader van de coax gezet. Niet aansluiten bij gebruik van een passieve antenne. Maximaal 12V / 100mA. De meeste antennes werken op 5V of zelfs 3,3V voor de allernieuwste types, en nemen tussen de 15 en 50 mA op.
pin 2
Voeding receiver. 4,74 - 5.25V bij ca. 200 mA. Als de MR (pin 5) aktief is verbruikt de ontvanger ca. 100mA.
De absolute ondergrens waarbij de ontvanger nog werkt is 4.5V. Dit is echter buiten specificaties!
pin 3
Batterij backup voedings ingang voor de interne datum/tijd chip van het moduul, en het statische geheugen.
Om de tijd dat de ontvanger na het inschakelen moet zoeken naar de satellieten zo kort mogelijk te houden is het van belang om hier een batterijgevoede spanning aan te leggen. Er wordt alleen stroom (40-80 uA) afgenomen als de ontvanger geen 5V voeding op pin 2 heeft. Een nicad of NiMh cel met lage capaciteit en een laadcircuitje is geschikt, afhankelijk van de periode waarover de ontvanger spanningsloos moet kunnen zijn. Een lithiumcel (zonder laadcircuit) is ook geschikt, vooropgesteld dat de ontvanger bijna altijd onder spanning staat, want de cel is anders binnen enkele weken leeg. Er is een mogelijkheid om een goldcap op het GPS ontvangertje zelf te monteren. Hier wordt elders op deze pagina verder op ingegaan.
pin 4 connectorslot - geen pin aanwezig.
pin 5
Master Reset. De ontvanger krijgt een 'reset' als dit punt laag wordt gemaakt. Zolang deze lijn laag is staat de ontvanger in een low-power
pin 6, 9 en 14
Gereserveerd - niet aansluiten
pin 7 & 8
Dit zijn digitale ingangen die de manier van opstarten bepalen. De ingang moet aan massa gelegd worden of met een 10k weerstand aan de +5V gelegd worden.
- 7: NMEA protocol select. Als deze lijn laag is (massa) communiceert de ontvanger bij het opstarten altijd via de standaard NMEA-0183: ascii berichten in 4800 bd, no parity, 8 databits en 1 stopbit.
  
  Als deze lijn hoog is wordt de opstart communicatie mode bepaald door de status van pin 8.
- 8: ROM default select. Als deze lijn laag is wordt de ontvanger opgestart met de gegevens uit de in de fabriek voorgeprogrammeerde ROM geheugen. De ontvanger begint altijd met een 'schone lei' zogezegd.
  
  Als deze lijn hoog is worden de opstart gegevens uit static ram (als er een batterij aangesloten is) gehaald of uit de eeprom als de sram geen goede data bevat. De opstart gegevens omvatten de laatste geldige tijd/datum, locatie, satelliet gegevens, communicatie protocol en snelheid, enz.
Voor de meeste toepassingen zal pin 7 laag en pin 8 hoog moeten zijn. De ontvanger start dan bij het inschakelen op in NMEA-0183 mode en gebruikt de gegevens in de eeprom en static ram en real-time clockchip (als die onder spanning gehouden zijn) voor de initiele berekeningen. Zie voor meer details de datasheet jupiter-gps-board.pdf.
pin 10, 13, 16, 17 en 18
Ground. Deze lijnen moeten allemaal aan massa gelegd worden.
pin 11 en 12
Serieele uitgang (11) en ingang (12). Dit is de primaire serieele poort waarover met de aangesloten applicatie (laptop, pc, aprs print enz) gecommuniceert wordt. Deze lijnen werken op TTL nivo. Om met een serieele poort van een pc te kunnen communiceren moet er nog een line driver schakeling gebruikt worden, met b.v. een MAX232 of een LT1281. Alhoewel officieel de rs232 nivo's op +12V en -12V liggen, werken de meeste pc's en laptops ook goed met een spanning van 5V en 0V. Als je dat wilt proberen is alleen een cmos inverter zoals een 74HCT04 voldoende. Een mogelijk schema is hier te zien. Een provisorische uitwerking in "luchtmontage" kun je hier bewonderen.
pin 15
Serieele ingang, eveneens op TTL nivo. Deze poort is bedoeld voor RTCM DGPS (differential GPS) correctie berichten. Er is geen speciale configuratie nodig - als er geldige dgps data wordt aangeboden zal de ontvanger deze automatisch in zijn berekeningen verwerken.
pin 19
1PPS (puls per seconde) signaal. TTL signaal met een frekwentie van exact 1 Hz. De pulsduur is 25,6 ms en de stijgende flank komt binnen 1 us overeen met de seconde overgang van de standaard UTC klok. Er is software om een nauwkeurige klok binnen een computer te maken die deze puls verwacht op de DCD lijn van de serieele poort, dus het kan handig zijn om daarin te voorzien als je zelf wat gaat bouwen.
pin 20
10 kHz TTL signaal. Dit signaal is synchroon met pin 19. De 10kHz is derhalve synchroon met de atoomklokken in de GPS satellieten en nauwkeurig tot beter dan 1 uHz (microHertz), als de ontvanger een 'fix' heeft op de satellieten.

Supercap installeren

Om de 'time to fix' bij het inschakelen zo kort mogelijk te houden is het mogelijk om een supercap (goldcap) als backupbatterij te monteren op het Jupiter board. Er past een supercap van 12,5mm doorsnee en 7mm hoogte met een pin afstand van 5 mm op het board. Deze condensatoren zijn in de electronica detailhandel te krijgen. Waardes zijn 0,1 of 0,22 Farad bij een maximale werkspanning van 5,5V. Met een 0,22F supercap kan de Jupiter langer dan 48 uur de klok door laten lopen zodat de ontvanger dan sneller weer een positie bepaald heeft na het inschakelen. Voor een langere backup tijd moet er extern een NiCd of NiMh accu aangesloten worden met een laadcircuitje.
De supercap wordt op positie C2 in het board gesoldeerd. De met min (-) gemarkeerde aansluiting komt in het ronde soldeereilandje.

Beschikbare software

Alle software die over de serieele poort met een GPS ontvanger kan communiceren met het NMEA-0183 protocol werkt met deze ontvanger. De NMEA uitgave kan geconfigureerd worden. Er zijn honderden programma's en toepassingen zoals APRS en lcd aansturings applicaties beschikbaar zodat ik hier niet op in zal gaan. Zie voor een korte lijst de links pagina.