Ganganzeige mit GPS
Die Ganganzeige kann die Daten eines GPS-Empfängers (-Maus) auswerten und anzeigen. Besonders
interessant sind dabei die Geschwindigkeit und die Höhenangabe. Nebenbei erhält man noch die genaue Uhrzeit.
Mittlerweile habe ich einige tausend Kilometer mit GPS und Ganganzeige zurückgelegt. Das System funktioniert hervorragend.
Details zur generellen Funktionsweise des GPS findet man z.B. bei
Wikipedia, ich erspare mir daher eine erneute Beschreibung.
Neu und erwähnenswert ist die Verwendung von EGNOS-DGPS dass viele
moderne Empfänger
beherrschen. Bei diesem Verfahren werden zusätzliche
die Daten eines geostationären Satelliten verarbeitet wodurch
die Genauigkeit deutlich gesteigert wird.
Für meine Anwedung ist die Genauigkeit der
Positionsbestimmung aber derzeit nicht wichtig. Vielmehr interessiert
mich die Geschwindigkeitsangabe, die ist auf etwas 0.5km/h genau, sowie
Kursangabe und Höhe. Die UTC-Zeit wird ebenfalls ausgewertet.
Das GPS wird fest mit der Ganganzeige verdrahtet. Die Verbindung
erfolgt per Kabel. Bluetooth macht bei 1m Entfernung nicht wirklich
Sinn und man hat keine Probleme mit Akkus. Der
Prozessor der Ganganzeige
hat noch einen freien seriellen Port(0) der die GPS-Daten empfängt. Die
GPS-Chipsätze arbeiten üblicherweise mit 3V
Betriebsspannung und haben einen normalen Digitalausgang über den
ständig die seriellen NMEA-Daten gesendet werden. Damit alles
zusammenpasst muss der GPS-Empfänger elektrisch etwas modifiziert
werden.
Der Empfänger wird hinter der Frontverkleidung montiert. Die leichte
Abschattung und die schräge Einbauposition machen keinerlei
Probleme, es werden immer mehr als genug Satelliten empfangen.
Mäuse
Heutzutage üblich sind sog. GPS-Mäuse. Diese enthalten eine GPS-Empfängermodul und können per USB oder Bluetooth an einen PC/PDA/Handy gekoppelt werden.
Mit (PC-)Mäusen haben sie nicht viel zu tun, abgesehen von Form und Grösse. Ihr innerer Aufbau ist weitgehend einheitlich:
- Trägerplatine mit Stromversorgung/Ladeschaltung und drumherum. Manchmal sind auch noch Zusatzfunktionen wie Datenlogger o.ä. vorhanden.
- GPS-Modul
- Antenne
- Bluetooth-, seriell- oder USB-Konverter
Die Antenne ist üblicherweise ins Gehäuse integriert, auf der Rückseite des
GPS-Moduls. Gängig sind keramische Patch-Antennen. Ein Steckverbinder für eine optionale
externe Antenne ist ebenfalls meist vorhanden. Alle GPS-Module
verwenden das sog. NMEA-Protokoll für die Datenausgabe. Jede Sekunde werden
automatisch die aktuellen Messwerte als serieller Datenstrom
gesendet.
USB-GPS-Mäuse arbeiten mit einer Versorgungsspannung von 5V
(bekommt man leicht aus dem Cockpit, siehe weiter unten), so wie sie
auch am USB anliegt. Im Inneren ist üblicherweise ein
Seriell-USB-Konverter IC eingebaut (PL-2303 o.ä.). Damit wird der Umbau
sehr einfach. Man muss nur die Signalleitung vor dem
USB-Wandler
anzapfen und die 5V anschliessen.
Noch einfacher wird die
Verdrahtung mit speziellen GPS-Modulen die bereits einen
3V-TTL-Ausgang haben. Ein gutes Beispiel ist das NAVILOCK NL-552ETTL.
Ist sogar bei Amazon zu finden.
Für meine Versuche habe ich
diverse unterschiedliche Modelle getestet. Zum Teil
habe ich die 5V mit
einem extra 12V-> 5V Regler aufgebaut, mittlerweile benutze ich
nur
noch die 5V von der Cockpit-Platine:
Transystem iGPS-M Pro Receiver USB, MTK-Chipsatz
Eine Maus für USB.
Dies ist ein recht aktuelles Modell (2007) mit einem Chipsatz von MTK
(MT3301+MT3179). Die Empfindlichkeit ist/soll vergleichbar mit den
bekannten SirfIII sein. Datenblätter zum eigentlichen Chipsatz konnte
ich bisher leider nicht finden.
ProGin SGM-108, NemeriX-Chipsatz
Eine Maus für USB.
Basis scheint eine Plattform des OEM-Herstellers "ZyCast" zu sein. Der Chipsatz ist ein NemeriX "16-channel low-power technology". Bei
diesem Modell bildet die Antenne eine Einheit mit dem GPS-Empfänger, ein Öffnen der Funk-Kammer habe ich mir daher geschenkt. Ein
üblicher PL-2303 ist als USB-Bridge eingesetzt.
XAIOX Wonde-XL Bluetooth GPS Receive, NemeriX Chipsatz
Eine Maus für Bluetooth.
Ein etwas älteres Modell (~2005). Im Inneren werkelt ein Nemerix Chipssatz (NJ1030+NJ1006).
Die Bilder zeigen die Platine im Inneren mit den wichtigsten Funktionsgruppen. Zu dem GPS-Modul existiert ein ausführliches Datenblatt (GPS-24 Rakaline
oder WD-G-ZX4120). Es basiert auf dem NB1041-Engine-Board.
LR9537, Bluetooth GPS Receiver, SiRF Chipsatz
Eine Maus für Bluetooth.
Alternative Bezeichnungen im Handel:
- Leadtek GPS9537
- Rikaline 6030
- T-Mobile Navigate Bluekit 3
Der Chipsatz ist ein SiRF GSP2e. Das Bluetooth-Modul trägt die Bezeichnung UM-11009-0001 und arbeitet mit einem CSR BC02 Chipsatz.
Man muss die Ladeschaltung umgehen damit das Modul startet sobald Spannung angelegt wird. Hab leider vergessen Bilder vom Verdrahten zu machen :-/
CONRAD GPS Receiver CR4, uBlox ANTARIS 4 Chipsatz
Eine Maus für USB.
Ein etwas älteres Modell mit einem LEA-4H GPS-Modul von uBLox.
Diese Maus ist sehr einfach anzuschliessen. In der Tx Leitung des Moduls sitzt bereits ein 100 Ohm Widerstand, er ist somit auf Seite der
Ganganzeige überflüssig.
- "GND" an einen Massepunkt der Ganganzeige.
- "3V TTL Tx" an den Punkt "Seriel0 IN" (= MOSI) der Ganganzeige.
- "+5V" an den Punkt CL8 auf der Cockpit-Platine.
Wegen der geringen Grösse lässt sich das Modul direkt mit in das Cockpit einbauen. Ein geeigneter Platz ist z.B. unterhalb der Drehzahlmesser-Scheibe:
Zur elektrischen Isolation und mechanischen Fixierung sollte
ein wenig Schaumstoff hinzugefügt werden.
Das Plastik des Gehäuses ist transparent genug um guten Empfang zu
ermöglichen.
ORG1318 GPS Modul, SiRFstar3 Chipsatz
Dies ist keine Maus sondern ein komplettes GPS-Modul incl. Antenne zum Integrieren in eine bestehende Elektronik. Die äusseren Abmessungen
sind extrem klein. Modifikationen sind nicht erforderlich. Neben der üblichen 5V-Spannung (aus dem Cockpit) muss noch eine 3V-Spannung für
den Ausgangstreiber angelegt werden.
Durch die winzigen Abmessungen bietet sich der direkte Einbau in das Cockpit an. Sowohl ober- als auch unterhalb des Drehzahlmessers ist genügend Raum.
Zur elektrischen Isolation und mechanischen Fixierung sollte ein wenig Schaumstoff hinzugefügt werden.
Das Plastik des Gehäuses ist transparent genug um guten Empfang zu ermöglichen.
Unterschiede
Das Transystem-Modul ist unter schlechten Empfangsbedingungen
merklich empfindlicher als das Wonde-XL. Selbst
unter schwierigen Bedingungen (Innenraum, keine direkte Sicht) ist
teilweise eine Positionsbestimmung möglich. Zusätzlich beherrscht es
die Betriebsart EGNOS-DGPS.
Das ProGin arbeitet im Freien hervorragend, vergleichbar mit dem MTK.
Ansonsten ähnelt es dem Wonde-XL.
Obwohl das MTK den empfindlichsten Empfänger hat bringt es beim Einsatz
am Motorrad (also praktisch im Freien) kaum Vorteile. Bereits mit dem Wonde-XL gab es keinerlei Empfangsprobleme. Es muss
also nicht die allerneueste Generation sein.
Umbau der Maus
Die Maus, welche auch immer, muss modifiziert werden. Das 3V-NMEA-Signal wird direkt vom GPS-Modul an die Ganganzeige gekoppelt. USB
oder Bluetooth (etwas anderes wird praktisch nicht mehr angeboten) sind auf Seiten der Ganganzeige zu aufwändig und bei fester Montage zudem überflüssig. Alle GPS-Module die
ich gefunden habe arbeiten mit 3V Versorgungsspannung und liefern ein serielles Signal das die Ganganzeige direkt versteht. Man muss
"nur" die Tx-Leitung des Moduls mit dem UART-Eingang des Prozessors verbinden. Zur Absicherung kann in die Signalleitung vom GPS-Modul zur
Ganganzeige noch ein 100 Ohm "Angstwiderstand" aufgenommen werden.
Die "Gegenrichtung" (Ausgang des Prozessors zum GPS-Modul) wird momentan nicht benutzt. Man könnte hierüber das Modul konfigurieren. Bei der
Verdrahtung müssen aber eventuelle Signalkollisionen mit den in der Maus noch vorhandenen USB/Bluetooth-Bausteinen bedacht werden.
Also besser erstmal weglassen.
Meine ursprüngliche Idee war die 3V-Versorgung der Ganganzeige anzuzapfen und direkt zur Versorgung des GPS zu
benutzen. Die Transystem-Maus z.B. benutzt aber intern offensichtlich 2 getrennte 3V-Spannungsregler,
sicherlich aus gutem Grund (Empfindlichkeit steigern). Ausserdem ist
der Stromverbrauch zu hoch und der Ganganzeige-Regler würde Probleme
bekommen. Daher habe ich mich entschlossen "weiter vorne" die 5V(USB)-Versorgung mit Hilfe eines
Festspannungsreglers nachzubilden und die Maus direkt an 12V zu betreiben.
Bei der XAIOX-Maus sind die Umbauten anders. Der Bluetooth-Teil wird nicht benötigt, die Stromversorgung dorthin
wird unterbrochen (Spule auslöten). Die Rx/Tx-Leitungen vom
Bluetooth zum GPS können zur Sicherheit durchtrennt werden um Beeinflussungen sicher zu vermeiden (Rückwärtsspeisung o.ä.). Die vorhandene
Spannungsversorgung, incl. Laderegelung für den Akku, wird umgangen. Auch hier benutze ich einen kleinen Spannungsregler, diesmal von 12V auf 3V.
Wo und wie man die Spannungsversorgung anzapft hängt vom Konzept der GPS-Maus ab. Mäuse mit Akku haben eine Lade- und Einschaltlogik die man
berücksichtigen muss. Der Akku wird natürlich nicht mehr benötigt.
Die GND-Leitung nicht vergessen!
Eine sehr einfache und elegante Lösung um an geregelte 5V zu kommen ist es die Cockpit-Platine anzuzapfen. Man erspart sich damit den fummeligen
Einbau eines zusätzlichen Spannungsreglers.
Die 5V-Spannung ist im Cockpit am Punkt "CL8" zu finden. Sie ist ausreichend stabil und leistungsfähig um die GPS-Maus zu versorgen.
Die umgebaute GPS-Maus kann von der Ganganzeige abgesetzt betrieben werden, verbunden durch ein 3(oder 4)-adriges Kabel. Die eingebaute Antenne
wird weiterhin benutzt.
Umbau der Ganganzeige
Die Verdrahtung mit der Ganganzeige (Platinenversion 7):
Bei neueren Platinenversionen sind die notwendigen Signalpunkte bereits auf einen Stecker zusammengefasst. Weitere Details
sind in diesem Dokument
zu finden.
1. Die Tx-Leitung vom GPS wird über einen 100 Ohm Widerstand mit dem Pad MOSI
verbunden. Dieser Punkt ist der Eingang des eingebauten UART.
2. Die Spannungsversorgung +12V kann am einfachsten am grossen Widerstand, der zum Befestigungsbolzen geht,
angezapft werden. Alternativ findet man eine saubere +5V Spannung auf der Cockpit-Platine am Punkt CL8.
3. Einen geeigneten Massepunkt auswählen, notfalls irgendwo auf der Platine einen Anlötpunkt freikratzen. An die Befestigungsbolzen kann
man ebenfalls direkt anlöten, sie verlieren aber ihre mechanische Ausrichtung falls sie zu stark erhitzt werden ("kippen um").
4. Momentan nicht notwendig ist die Rückleitung zum GPS (Rx). Sie würde am Pin MISO
angeschlossen (mit 100 Ohm in Reihe zur Sicherheit). Man könnte über diese Leitung das GPS umprogrammieren (Uhrzeit verändern o.ä.).
In die Verbindungsleitungen sollte noch ein Steckverbinder eingebaut
werden. Praktischerweise kann man noch die fehlenden Signale
für die Programmierschnittstelle des Atmels hinzunehmen (siehe Kapitel
Software) und hat direkt die Möglichkeit die Software neu aufzuspielen.
Die 100 Ohm Widerstände fungieren als einfache Strombegrenzungen
falls die 3V-Spannungsniveaus nicht auf genau gleicher Höhe
liegen. Der genau Wert ist unwichtig.
Der UART in der Ganganzeige versteht KEIN RS232, er benötigt "normale" 3V-TTL-Signale!!
Unterstützt wird die GPS-Funktionalität ab SW-Version 130.
Ergebnis
Nach dem Einschalten beginnt sofort die Übertragung der NMEA-Daten. Das GPS-Modul sendet fortlaufend und ohne
Anfrage ihre Daten. Die Aktualisierung erfolgt ungefähr im Sekundentakt. In der Ganganzeige kann im Menü der Empfang und die Auswertung
aktiviert werden, die Übertragungsrate ist ebenfalls einstellbar.
Ein "Kaltstart" der Maus kann bis zu 10 Minuten benötigen. Dabei sucht sie automatisch nach aktuellen Bahndaten und sonstigen Korrekturwerten der
Satelliten die nur relativ selten übermittelt werden. Ein "Warmstart" dauert hingegen nur wenige Sekunden.
Die gesendeten NMEA-Daten haben beispielhaft folgendes Format:
$GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M, , , ,0000*18
$GPVTG,309.62,T, ,M,0.13,N,0.2,K*6E
Die Ganganzeige wertet nur die "RMC" und "GGA" Nachrichten aus.
Einige neue Anzeigebildschirme sind hinzugekommen:
Ein Pfeil der den "wahren" Kurs über Grund anzeigt und die momentane Höhe über NN in Metern (genaugenommen über dem Ellipsoid vom WGS84).
Eine Kompass-Anzeige.
Die Geschwindigkeiten von Rad und GPS im Vergleich. Die jeweiligen Extremwerte werden ebenfalls angezeigt (gültig bis zum
nächsten Ausschalten). Im Bild liefert die GPS-Anzeige kein Ergebnis weil sich der Empfänger momentan nicht bewegt. Die Rad-Daten kommen aus einem Simulator.
In der linken, oberen Ecke wird bei einwandfreiem Empfang ein Antennen-Symbol angezeigt. Schlechter Empfang (zuwenige Satelliten)
werden durch ein invertiertes Sysmbol signalisiert. Falls längere Zeit überhaupt kein Signal anliegt verschwindet das Symbol.
UTC-Zeit und Anzahl der erkannten Satelliten.
Längen-/Breitengrad
Neuere Informationen zum Umbau sind auch im Dokument MultiGauge_Extensions_V8.pdf
(im Download Bereich) zu finden.
Links zum Thema GPS
Informationen zum Thema finden sich häufig auf den Supportseiten und Datenblätter der entsprechenden Hersteller. Besonders positiv aufgefallen ist mir die
folgende Quelle:
http://www.u-blox.com/customersupport/index.html
Dort befinden sich im Bereich Tutorials einige sehr ausführliche Dokumente. Ebenso ist das Anzeigeprogramm "u-Center" erwähnenswert.
Etwas weniger ins Detail gehend aber übersichtlicher ist der folgende Link:
http://www.kowoma.de/gps/index.htm