一，概述

 

GNSS芯片选用了ublox的 UBX-M8030 系列，有3个型号：

可以到官网去下载相关资料，文档还挺齐的：
https://www.u-blox.com/zh/product/ubx-m8030-series#tab-product-selection
比较重要的几个文档有：

ReceiverDescrProtSpec	芯片通讯协议配置相关，软件开发较关心
DataSheet	不用说了吧
HardwareIntegrationManual	硬件设计详解
PowerManagement_AppNote	电源及低功耗
GNSS-Antennas_AppNote	天线相关

把选型相关和我比较关心的一些特性列一下：
最多可并发接收 3 个 GNSS（GPS、伽利略、GLONASS、北斗）
定位精度2米
-148 dBm 到 -167 dBm 灵敏度
冷启动26秒定位时间，热启动只要1.5s
1个串口，默认9600，8n1，本项目只用这个通讯口，其它的USB, I2C, SPI不关心
尺寸封装：QFN, 5x5
支持低电压，支持低功耗模式（这个对我们很重要）

简单来说，如果硬件没问题，天线调试可以，那样芯片会自动每秒发送一次信息，如果已定位成功，就有位置信息了，软件只要解析报文就可以。状态机如下图，acquisition我们叫搜星，tracking就是跟踪。

 Ublox还专门提供了一个调试用的软件，叫u-center，官网可下载。安装到PC上，通过串口与芯片通讯，分析芯片发过来的位置信息报文，图文展示卫星等信息，也支持下发配置，非常方便。

二，硬件

先说明，本人软件工程师，硬件水平渣。如果之前没有研发过GPS类芯片的硬件工程师可能要好好把文档看懂才动手，尤其是天线部分，后面会专门分析该部分。芯片主体框图如下：

 我们项目中原理图如下（天线部分后面提供）：

 2.1 电源

上图把几个重要的外围接口都列了出来，芯片有几个供电pin 脚，硬件要怎么供电取决于你的需求，上图的Main Supply实际上有两路电源输入，V_CORE, 和 V_DCDC，几个电源接口有着不同的功能。
V_BCKP，给RTC，RAM供电，用来保存星历，下次定位更快，功耗只有15uA
V_CORE, 搜星时功耗，只有GPS时 33.6 mA， GNSS 43.2 mA
V_DCDC_IN, 只有GPS时18.3 mA， GNSS 24.2mA
VDD_IO，通讯pin 脚供电

详细功能看官方文档，这里只截个图：

 2.2 低功耗

低功耗与性能是个矛盾关系，各人根据需求去配置，例如硬件上有以下做法可以省电：
主电源1.4v供电
使用晶振(Crystal)而不是TCXO
用UART and DDC接口通讯，而不是USB, SPI
不使用SQI Flash（ROM only version）
无源天线（性能很受影响）

在软件上芯片有两种工作模式，连续模式（Continuous Mode）和省电模式（Power Save Mode，PSM）。连续模式就是使用全部性能，全部通道去搜星，星历都下载OK后进入跟踪引擎，这时功耗会降低。

 如上图最开始阶段，芯片（acquisition engine）尽最大能力搜星，星历下载完成，得到初始位置信息后，芯片关闭acquisition engine进入跟踪状态。检测到新的卫星信号又重新启动acquisition engine，也就是上图的fix阶段。很明显，要省电最好是加长”Update Period”的时间，也就是说省电模式只在跟踪阶段。
省电模式又分两种模式：”Cyclic tracking” 和 “ON/OFF operation”，从下图可以看出，只有设置”Update Period”超过10s “ON/OFF operation”才有省电优势，这也会影响到性能，看用户怎么平衡了。

 要想进入低功耗模式，要满足以下条件：
不要使用USB接口
有RTC，或者使用"single crystal"模式
使用GPS-only 模式

芯片配置步骤：
1. disable Glonass, 只要GPS。 UBX-CFG-GNSS
2. UBX-CFG-PM2 或者 UBX-CFG-PMS，一般推荐使用Cyclic tracking
3. UBX-CFG-RXM， set the power mode to "1 - Power Save Mode"

 2.3 时钟

从前面系统框图可知，这个芯片有两路时钟输入，分别是TCXO（或晶振）和RTC时钟，参考框图如下：

主时钟是一定要有的，而且对搜星性能有影响，温漂要控制在范围内。可以根据需求，成本，性能分析是使用TCXO还是晶振，频率是26 MHz，” HardwareIntegrationManual”文档会有专门的分析，这个文档很细，把外围电路各种器件的参考物料都列了出来，买文档推荐的物料肯定没错了。
主时钟是供信号采集用的，RTC是用来备份和热保持，当芯片主电源意外掉电，芯片热启动时会用到，频率是32.768 kHz。芯片也支持单晶振（Single Crystal）模式，就是主晶振也可以作RTC用，这需要配置芯片。这样V_BCKP电源也会给主晶振供电，主电源掉的时候主晶振依然能工作。这么做能省物料成本，但是增加了功耗。

2.4 IO配置

UBX-M8030芯片有17个IO口，从PIO0到PIO16，都是由VDD_IO供电，而且电平也跟它一致。PIO0到PIO5可以连SQI Flash，SQI Flash的作用是升级芯片固件，保存配置，保存log，保留辅助定位信息。这几个pin脚也可以通过配置作为LDO输出的功能。我们项目没用SQI Flash，也没用LDO输出，所以都悬空了。

 三，天线

 天线部分我们硬件参考了” HardwareIntegrationManual”文档里面的最佳性能电路，如下图：

 我们的原理图：

 如上图所示，最左边BWGNSCNX16-6W是天线座，U11的MAX2659是一个LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器)芯片，用来放大信号。U9的SAFEB1G57KE0F00R15是一个声表面波滤波器(SAW)，用来滤波，特别是我们的项目中用到了lte cat.1芯片，怕信号会干扰。经过这些简单处理后信号被送到芯片，整个过程如下图：

 要求硬件把外围电路处理好，然后重点就是天线的调试了。Ublox有专门文档介绍天线相关知识(GNSS-Antennas_AppNote)，建议先看看。其实如果硬件工程师射频相关经验不多的话，最好是找天线厂帮忙，我们就因为这个浪费了一，两星期的时间。GPS的信号很弱，-100dBm以上的，天线比2.4G，433M之类的天线要难搞，还是要请专业人士保险。本人这一块也薄弱，只提供几个建议：
天线分陶瓷天线和FPC天线，增益强度，指向，体积都不一样，看产品需求选用。
天线对PCB有要求，例如净空，铺地，阻抗之类的，最好先让射频工程师评估。
串口输出的报文要能看懂，u-center最好会使用，能了解和推算出信号强弱。
产品外壳也很重要，天线的位置会有关系
最好还是有专业人员参与

 四，u-center

u-center 软件的功能非常强大，我只使用了其中小部分功能，主界面如下：

 

上图左边部分用来查看串口输出数据流，配置界面等，这些界面都可以通过菜单栏的view子菜单打开。右边会把数据解析后的实时结果展示出来，包括当前搜到的星，信号强度，如果定位到的话会有位置，海拔，速度等信息。几个view的作用：
Text console 打印串口上报的报文，如上图左边部分。
Messages View 上报的报文通过NMEA协议解析出来，是字符格式，可以直接查看。下发配置报文一般用UBX协议，是二进制格式，而且有窗口显示要发送的报文内容。因为我下发的配置都是固定的，我一般在这里把要配置的内容测试OK，然后直接把二进制内容复制到代码去，省去组织报文的代码，特别是检验码是要计算出来的。
 

 

另外还有configuration view 和 statistic view用得多一点。建议调试时先把硬件调OK了再写功能代码。
 

五，软件

直接贴别人开源项目的代码，侵删：

ublox.h

/*Andrea ToscanoU-BLOX NEO M8M Parser
*/#ifndef UBLOX_H_INCLUDED
#define UBLOX_H_INCLUDED#include <Arduino.h>#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
#include <stdlib.h>class Ublox
{
public:class Tokeniser{public:Tokeniser(char* str, char token);bool next(char* out, int len);private:char* str;char token;};struct satellite{uint8_t prn;int16_t elevation;int16_t azimuth;uint8_t snr; //signal to noise ratio};struct _datetime{uint8_t day, month, year;uint8_t hours, minutes, seconds;uint16_t millis;bool valid; //1 = yes, 0 = no};enum _fixtype { FIX_TYPE_NONE, FIX_TYPE_GPS, FIX_TYPE_DIFF };enum _fix { FIX_NONE = 1, FIX_2D, FIX_3D };enum _op_mode { MODE_MANUAL, MODE_AUTOMATIC };bool encode(char c);float latitude, longitude, altitude, vert_speed;int latlng_age, alt_age;//these units are in hundredths//so a speed of 5260 means 52.60km/huint16_t speed, course, knots;int speed_age, course_age, knots_age;_fixtype fixtype; //0 = no fix, 1 = satellite only, 2 = differential fixint fixtype_age;_fix fix;int fix_age;float pdop, hdop, vdop; //positional, horizontal and vertical dilution of precisionint dop_age;int8_t sats_in_use;int8_t sats_in_view;satellite sats[12];int sats_age;_datetime datetime;int time_age, date_age;_op_mode op_mode;private:bool check_checksum();uint8_t parse_hex(char h);bool process_buf();char buf[120];uint8_t pos;void read_gga();void read_gsa();void read_gsv();void read_rmc();void read_vtg();};//extern Ublox gps;#endif // UBLOX_H_INCLUDED

ublox.c

#include "Ublox.h"Ublox::Tokeniser::Tokeniser(char* _str, char _token)
{str = _str;token = _token;
}bool Ublox::Tokeniser::next(char* out, int len)
{uint8_t count = 0;if(str[0] == 0)return false;while(true){if(str[count] == '\0'){out[count] = '\0';str = &str[count];return true;}if(str[count] == token){out[count] = '\0';count++;str = &str[count];return true;}if(count < len)out[count] = str[count];count++;}return false;
}bool Ublox::encode(char c)
{buf[pos] = c;pos++;if(c == '\n') //linefeed{bool ret = process_buf();memset(buf, '\0', 120);pos = 0;return ret;}if(pos >= 120) //avoid a buffer overrun{memset(buf, '\0', 120);pos = 0;}return false;
}bool Ublox::process_buf()
{if(!check_checksum()) //if checksum is bad{return false; //return}//otherwise, what sort of message is itif(strncmp(buf, "$GNGGA", 6) == 0){read_gga();}if(strncmp(buf, "$GNGSA", 6) == 0){read_gsa();}if(strncmp(buf, "$GPGSV", 6) == 0){read_gsv();}if(strncmp(buf, "$GNRMC", 6) == 0){read_rmc();}if(strncmp(buf, "$GNVTG", 6) == 0){read_vtg();}return true;
}// GNGGA 
void Ublox::read_gga()
{int counter = 0;char token[20];Tokeniser tok(buf, ',');while(tok.next(token, 20)){switch(counter){case 1: //time{float time = atof(token);int hms = int(time);datetime.millis = time - hms;datetime.seconds = fmod(hms, 100);hms /= 100;datetime.minutes = fmod(hms, 100);hms /= 100;datetime.hours = hms;time_age = millis();}break;case 2: //latitude{float llat = atof(token);int ilat = llat/100;double mins = fmod(llat, 100);latitude = ilat + (mins/60);}break;case 3: //north/south{if(token[0] == 'S')latitude = -latitude;}break;case 4: //longitude{float llong = atof(token);int ilat = llong/100;double mins = fmod(llong, 100);longitude = ilat + (mins/60);}break;case 5: //east/west{if(token[0] == 'W')longitude = -longitude;latlng_age = millis();}break;case 6:{fixtype = _fixtype(atoi(token));}break;case 7:{sats_in_use = atoi(token);}break;case 8:{hdop = atoi(token);}break;case 9:{float new_alt = atof(token);vert_speed = (new_alt - altitude)/((millis()-alt_age)/1000.0);altitude = atof(token);alt_age = millis();}break;}counter++;}
}void Ublox::read_gsa()
{int counter = 0;char token[20];Tokeniser tok(buf, ',');while(tok.next(token, 20)){switch(counter){case 1: //operating mode{if(token[0] == 'A')op_mode = MODE_AUTOMATIC;if(token[0] == 'M')op_mode = MODE_MANUAL;}break;case 2:{fix = _fix(atoi(token));fix_age = millis();}break;case 14:{pdop = atof(token);}break;case 15:{hdop = atof(token);}break;case 16:{vdop = atof(token);dop_age = millis();}break;}counter++;}
}void Ublox::read_gsv()
{char token[20];Tokeniser tok(buf, ',');tok.next(token, 20);tok.next(token, 20);tok.next(token, 20);int mn = atoi(token); //msg numbertok.next(token, 20);sats_in_view = atoi(token); //number of satsint8_t j = (mn-1) * 4;int8_t i;for(i = 0; i <= 3; i++){tok.next(token, 20);sats[j+i].prn = atoi(token);tok.next(token, 20);sats[j+i].elevation = atoi(token);tok.next(token, 20);sats[j+i].azimuth = atoi(token);tok.next(token, 20);sats[j+i].snr = atoi(token);}sats_age = millis();
}void Ublox::read_rmc()
{int counter = 0;char token[20];Tokeniser tok(buf, ',');while(tok.next(token, 20)){switch(counter){case 1: //time{float time = atof(token);int hms = int(time);datetime.millis = time - hms;datetime.seconds = fmod(hms, 100);hms /= 100;datetime.minutes = fmod(hms, 100);hms /= 100;datetime.hours = hms;time_age = millis();}break;case 2:{if(token[0] == 'A')datetime.valid = true;if(token[0] == 'V')datetime.valid = false;}break;/*case 3:{float llat = atof(token);int ilat = llat/100;double latmins = fmod(llat, 100);latitude = ilat + (latmins/60);}break;case 4:{if(token[0] == 'S')latitude = -latitude;}break;case 5:{float llong = atof(token);float ilat = llong/100;double lonmins = fmod(llong, 100);longitude = ilat + (lonmins/60);}break;case 6:{if(token[0] == 'W')longitude = -longitude;latlng_age = millis();}break;*/case 8:{course = atof(token);course_age = millis();}break;case 9:{uint32_t date = atoi(token);datetime.year = fmod(date, 100);date /= 100;datetime.month = fmod(date, 100);datetime.day = date / 100;date_age = millis();}break;}counter++;}
}void Ublox::read_vtg()
{int counter = 0;char token[20];Tokeniser tok(buf, ',');while(tok.next(token, 20)){switch(counter){case 1:{course = (atof(token)*100);course_age = millis();}break;case 5:{knots = (atof(token)*100);knots_age = millis();}break;case 7:{speed = (atof(token)*100);speed_age = millis();}break;}counter++;}
}bool Ublox::check_checksum()
{if (buf[strlen(buf)-5] == '*'){uint16_t sum = parse_hex(buf[strlen(buf)-4]) * 16;sum += parse_hex(buf[strlen(buf)-3]);for (uint8_t i=1; i < (strlen(buf)-5); i++)sum ^= buf[i];if (sum != 0)return false;return true;}return false;
}uint8_t Ublox::parse_hex(char c)
{if (c < '0')return 0;if (c <= '9')return c - '0';if (c < 'A')return 0;if (c <= 'F')return (c - 'A')+10;return 0;
}

代码是c++写的，单片机不好支持，我修改为c了。代码的使用较简单，GPS串口发过来的每一个字节都丢到encode函数去，如果检测到换行符'\n'，会调用process_buf函数解析，解析后得到时间，经纬度等值。

end