製品にナビゲーションを追加するためにGNSSモジュールを使用する

投稿日 2020/10/20 火曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

初めて車を買った時のことを覚えています。両親が誕生日にアフターマーケットのGPSユニットをプレゼントしてくれました。その装置はかさばっていて、吸盤でフロントガラスに取り付けられており、頻繁に使用されるナビゲーションユニットというよりは目障りなものでした。今日では、これらのシステムははるかに小さく、ボードとコンポーネントレベルでの統合が進んだおかげで、より正確になっています。

新製品に正確なGPSナビゲーション機能を追加したい場合、GNSSモジュールは小さなパッケージで正確な位置情報を提供します。ボード上でカスタムモジュールと信号チェーンを構築するために別々のコンポーネントを使用する代わりに、事前にパッケージされたモジュールを使用して、部品数とボードスペースを節約できます。これらのモジュールには、必要なアンテナ、アンプ、信号調整コンポーネント、その他のコンポーネントがコンパクトなパッケージに組み込まれています。

GNSSモジュールの中身は？

GNSSモジュールは、複数の衛星コンステレーションを使用して全球的な位置情報を提供するように設計されています。国境を越えるモバイル製品やGPSアクセス可能エリア外に移動するリスクがある製品は、GNSSモジュールを使用して異なる地域システム（GLONASS、Galileo、BeiDou、および/またはQZSS）にアクセスする必要があります。

GNSSモジュールは、他のシステムオンモジュール（SoMs）と同様に、複数のコンポーネントを小さなPCBに統合します。これにより、エッジコネクタ、表面実装接続、または同軸コネクタを介してメインボードに簡単に追加できます。信号取得、増幅/フィルタリング、および標準インターフェース（SPI、UARTなど）を介した位置データのデータ出力に必要なすべてのコンポーネントを事前にパッケージ化することが目的です。一部のGNSSモジュールには、印刷パッチアンテナまたはセラミックチップアンテナとして統合されたアンテナが含まれています。

これらのモジュールには、アンテナからGNSS信号をキャプチャするための統合LNAとフィルターも含まれています。入力はインピーダンスマッチされているかもしれませんし、されていないかもしれませんので、データシートを確認してください。一般的には、信号をキャプチャするために使用される正確なアンテナに依存するインピーダンスマッチングを提供する必要があります。信号チェーン内の追加のRFアンプは、入力アンプが飽和し、強い相互変調製品を生成するため、使用すべきではありません。

GNSSモジュールの典型的なブロック図。

統合GNSSモジュールを使用するか、カスタムのものを構築するかにかかわらず、出力デジタルインターフェースは標準プロトコルを介して位置データを提供します。UARTとI2Cが最も一般的ですが、SPIも利用可能です。一部のモジュールはUSB経由でコンピューターシステムに簡単に統合できるため、ホストアプリケーションやWebアプリケーションとの簡単なインターフェースが可能です。統合USBを備えた事前パッケージ化されたGNSSモジュールを使用すると、カスタムモジュールを構築する前にアプリケーション開発が容易になります。

GNSSモジュールのオプション

新製品のカスタムGPSモジュールを構築するために別々のコンポーネントを使用する代わりに、以下に示すいくつかのGNSSモジュールオプションを見てみましょう。これらのパッケージ済みGNSSモジュールは、他の統合機能とともに、より小さなフットプリントで同じ機能を提供できます。

以下に示されているモジュールには統合アンテナが含まれておらず、メインボードへの統合用のベアボーンオプションです。以下に示されているメーカーおよび他のメーカーは、アンテナや追加のデジタルインターフェースを含む同じ製品ラインの下でモジュールを提供しています。

U-blox, NEO-M8P-2

U-bloxのNEO-M8P-2 GNSSモジュールは、新しいIoT製品に最も一般的なオプションの1つです。このGNSSレシーバーは、複数のGNSSシステムでの同時受信と追跡を可能にします。これらのレシーバーは、デフォルトでGPSとGLONASSの同時受信用に設定されていますが、BeiDouとGPSの組み合わせを使用することもできます。この表面実装コンポーネントはPCB上に配置が簡単で、アンテナとホストMCUを除いてすべてが含まれています。データはUART、SPI、I2C準拠のDCCインターフェース、または統合されたUSB 2.0 PHY経由で供給されます。

U-blox NEO-M8P-2 GNSSモジュールは、2つの異なるモジュール間でのローバー操作モードをサポートしています。固定モジュールとローバーモジュールは、RTCM 3メッセージのストリームを使用して通信できます。別の設定では、NEO-M8P-2を静的または移動式基地局として設定します。これらのモジュールには、ジオフェンシングや姿勢感知などのアプリケーションのための統合サポートも含まれています。

NEO-M8P-2 GNSSモジュールのブロック図。 NEO-M8P-2データシートより。

STMicroelectronics, TESEO-LIV3R

STMicroelectronicsのTESEO-LIV3Rは、高感度と多星座サポート（GPS/Glonass/BeiDou/QZSS）を備えた低消費電力の表面実装GNSSモジュールです。このモジュールは、他のGNSS製品よりも小さなフットプリントを持っていますが、統合アンテナ、マッチングネットワーク、または電力調整は含まれていません。しかし、統合された低ノイズクロックが含まれています。

位置情報データは、このコンポーネントからI2CまたはUART経由で出力されます。このモジュールには、ジオフェンシング、オドメーター、差動GPS、IoT製品などのアプリケーションのサポートが含まれています。統合USB 2.0通信が必要ない場合、このGNSSモジュールは、前述のU-bloxモジュールよりも低コストで小さなフットプリントで正確な位置情報とナビゲーションを提供します。

STMicroelectronicsのTESEO LIV3R GNSSモジュール。 TESEO LIV3Rデータシートより。

mikroElectronica, MIKROE-2670

開発や生産のための既製のソリューションを探しているなら、MIKROE-2670 GNSSモジュール（mikroElectronica製）は、ホストMCUと連携してGPS追跡ソリューションとして機能するコンパクトなモジュールです。位置情報は、ホストMCUによってマイクロUSB 2.0ケーブル、I2C、またはUARTを介してモジュールから取得できます。GPS対応のアクティブアンテナと充電式バッテリーを追加し、MCUボードとモジュールをパッケージ化することで、完全なGNSSソリューションを作成できます。

mikroElectronica製の完全なバッテリー駆動GNSSモジュール。

GNSSモジュールをサポートするその他のコンポーネント

上記の製品には統合アンテナが含まれていませんが、統合パッチアンテナまたはセラミックチップアンテナを含む他のモジュールも利用可能です。GNSSモジュールを搭載した製品には、完全なシステム運用のために他のコンポーネントが必要です。位置情報とナビゲーションシステムに必要なその他のコンポーネントはこちらです：

IoT製品からロボティクス、自動運転車に至るまで、多くの製品が位置情報とナビゲーション機能を含むようになっています。製品にGNSSモジュールを選択する際は、Octopartの高度な検索とフィルタリング機能を試してみてください。Octopartを使用すると、調達とサプライチェーン管理のための完全なソリューションを手に入れることができます。統合回路のページを見て、必要なコンポーネントを検索してみてください。

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