Datenkommunikation Entwicklung eines GPS-fähigen USB-Dongles

Kostengünstige und einfach implementierbare GPS-Lösungen ermöglichen eine Vielzahl standortbasierter Dienste, die mit einem GPS Dongle nun auch auf älteren Geräten zur Verfügung stehen.

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ET System electronic GmbH

Syslogic GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

FTDI Ltd.

Pinnacle Marketing Communications Ltd

Die Datenverarbeitung wird zunehmend mobiler. Moderne Rechner, in all ihren Formen, sollen heute portabler denn je sein, damit die hohen Anforderungen des Kunden erfüllt werden können: Hochladen/Herunterladen von Multimedia-Inhalten, Senden/Empfangen von Informationen, Zugriff auf Social-Media-Plattformen und Cloud-basierte Software-Tools. Mit der Verbreitung der GPS-Technik (Global Positioning System) in modernen tragbaren Rechnern steht eine Vielzahl interessanter, navigationsbasierter Anwendungen zur Verfügung.

Es gibt auch einen Bedarf, GPS zu bestehenden Systemen hinzuzufügen. Der folgende Beitrag beschreibt die Implementierung eines GPS-Dongles, der sich an ein solches Gerät anschließen lässt, das mit einem Windows-Betriebssystem läuft. Damit lässt sich eine Vielzahl standortgestützter Dienste unterstützen.

Die GPS-Technik lässt sich sehr vielseitig einsetzen: zum Geo-Tagging von Fotos bei der Aufnahme, zur Kartisierung von Lauf-/Fahrstrecken für die Berechnung der zurückgelegten Wegstrecke, zur Positionierung von Instrumenten bei Tests/Versuchen im Feld, zur Unterscheidung zwischen dienstlichen und privaten Autofahrten, zur Überwachung von Fahrzeugflotten und zahlreicher anderer logistischer Aufgaben. Seit 2012 sind Mobilfunkanbieter in den USA verpflichtet, die Ortsangabe eines Notrufs (911) zur Verfügung zu stellen, damit Notfalldienste darauf effizient reagieren können.

Die Möglichkeit, eine umfassende GPS-Funktion ohne größere Komplikationen in tragbare Elektronikgeräte zu implementieren, hat klare Vorteile. Zusammen mit verschiedenen Softwareanwendungen ergibt sich eine neue Art von Mobilität und ein verbessertes Benutzererlebnis. Seit Windows 7 wurde die Sensor- und Location-Plattform zu einem wichtigen Bestandteil der neuesten Generationen dieses weit verbreiteten Betriebssystems. Sie ermöglicht sowohl dem Rechner, als auch den verschiedenen Anwendungen, sich an die jeweilige Umgebung anzupassen. Durch Ortungssensoren (wie GPS-Empfängern) kann die Rechner-Hardware genau feststellen, an welchen Ort sie sich befindet, um Zugriff auf entsprechende Inhalte und Funktionen zu ermöglichen.

USB-basierter GPS-Sensor

Der Schaltplan in Bild 1 zeigt den USB-zu-UART Bridge-IC FT230XQ von FTDI Chip. Dieser lässt sich an einen GPS-Empfänger anschließen, um einen USB-basierten GPS-Sensor zu erhalten. In diesem Beispiel wird ein Small Form Factor GPS-Modul GP-2106 mit integrierter Antenne verwendet.

Der FT230XQ unterstützt USB 2.0 Full Speed mit Datenraten bis 3 MBit/s. Er stellt eine Lösung mit geringer Anschlusszahl dar, die sich für platzbeschränkte Designs auf minimaler Leiterplattenfläche eignet. Damit steht ein effizienter Single-Chip USB-zu-asynchron/serieller Datentransfer zur Verfügung. Das USB-Protokoll wird über den IC abgewickelt – ohne USB-spezifische Firmware-Programmierung. Der GP-2106 bietet einen Betrieb mit 48 Kanälen und verbraucht nur wenig Strom. Er stellt die Ortungsdaten für das System im NMEA0183-Format (v.3.01) zur Verfügung.

Die Implementierung ist denkbar einfach: das GP-2106-Modul (M1) liefert die Daten, mit denen sich die Position bestimmen lässt. Der FT230XQ (U1) führt die UART-zu-USB-Wandlung durch. Der TXD-Ausgang des FT230XQ ist mit dem RXD-Eingang des GP-2106 GPS-Empfängers verbunden, und der RXD-Eingang des FT230XQ ist an den TXD-Ausgang des GP-2106 angeschlossen. Diese Verbindungen stellen eine robuste und zuverlässige Datenverbindung zwischen dem GPS-Empfänger des Dongles und dem USB-Anschluss des Rechners dar. Die RTS#- und CTS#-Anschlüsse des FT230XQ sind miteinander verbunden, um die Hardware-Datenflusssteuerung zu deaktivieren.

GPS-Ortung und gültige Position

Um den GPS-Empfänger korrekt in Betrieb zu nehmen, muss neben der Stromzufuhr ein ON-Impuls vorliegen, der am Pin-4 des Empfängers erzeugt wird. Dazu dienen zwei monostabile Multivibratoren (74LVC1G123). Der erste (U2) erzeugt eine Verzögerung, in der der FT230XQ durch den USB Host Controller enummeriert und der GPS-Empfänger mit Strom versorgt wird. Der zweite Multivibrator erzeugt den ON-Impuls, der das Chipset im GPS-Empfängermodul aktiviert. Bild 2 zeigt das Verhalten des Start-up-Schaltkreises.

Die gelbe Kurve zeigt Kanal 1, entnommen über den U1-Pin-12 (CBUS0). CBUS0 wird als Ausgang des PWREN#-Signals konfiguriert. Die blaue Kurve zeigt Kanal 2, entnommen über eine Prüfspitze, die an den Q-Ausgang von U2 angeschlossen ist. Die violette Kurve zeigt Kanal 3, entnommen über eine Prüfspitze, die mit dem Q-Ausgang von U3 verbunden ist.

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