Navigation

Ganganzeige mit GPS-Erweiterung

Die Ganganzeige kann die Daten eines GPS-Empfängers auswerten und anzeigen. Besonders interessant sind dabei die Geschwindigkeit und die Höhenangabe. Nebenbei erhält man noch die genaue Uhrzeit. Mittlerweile habe ich viele tausend Kilometer mit GPS und Ganganzeige zurückgelegt. Das System funktioniert hervorragend.

Details zur generellen Funktionsweise des GPS findet man z.B. hier oder bei Wikipedia, ich erspare mir daher eine erneute Beschreibung.

Für meine Anwedung ist die Positionsbestimmung nicht wirklich wichtig. Vielmehr interessieren mich die Geschwindigkeit (die ist auf etwas 0.5km/h genau), die Kursangabe, die Höhe und die UTC-Zeit.

Das GPS wird fest mit der Ganganzeige verdrahtet, es wird kein Bluetooth verwendet. Der Prozessor der Ganganzeige empfängt die GPS-Daten über einem seriellen Port. Die GPS-Chipsätze arbeiten üblicherweise mit 3V Logikpegel. Über einen normalen Digitalausgang werden die NMEA-Daten permanent seriell gesendet.

Das GPS-Modul wird im Cockpit positioniert, oder bei grösseren Modulen hinter der Frontverkleidung. Die leichte Abschattung und die schräge Einbauposition machen normalerweise keinerlei Probleme. Eine Ausnahme sind eventuell ältere GPS-"Mäuse" mit alten Chipsätzen die etwas unempfindlicher sind.

GNSS-Modul

Heutzutage (2024) gibt es ein riesiges Angebot an GNSS-Modulen. Ein häufiges Einsatzfeld ist die Navigation bei Kamera-Drohnen. Ein typisches und beispielhaftes Exemplar ist das Beitian BN-180.


Diese Module werden laufend weiterentwickelt, perfektioniert und umbenannt. Man kann daher nur schwerlich eine Empfehlung für eine bestimmte Type geben. Sie unterstützen neben GPS üblicherweise auch gleichzeitig noch andere Standards (z.B. Galileo). Daher gilt: je neuer desto besser.

Mäuse

Völlig aus der Mode gekommen sind sog. GPS-Mäuse. PCs und Smartphones bringen mittlerweile ihre eigene Navigation mit und benötigen nichts externes mehr. Die Chipsätze sind meist veraltet, langsam und die Empfänger weniger empfindlich. Zum Basteln und Wiederverwerten sind sie noch gut genug. Der Umbau/Anschluss an die Ganganzeige ist aber immer umständlicher als wenn man ein fertiges GPS-Modul verwendet.

Diese Mäuse enthalten ein GPS-Empfängermodul und werden per USB oder Bluetooth mit einen PC/PDA/Handy gekoppelt. 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 Moduls. Gängig sind keramische Patch-Antennen. Ein Steckverbinder für eine optionale externe Antenne ist ebenfalls oft 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. Im Inneren ist oft ein Seriell-USB-Konverter IC eingebaut (PL-2303 o.ä.). Damit wird ein Umbau sehr einfach. Man muss nur die Signalleitung vor dem USB-Wandler anzapfen und die 5V anschliessen.

Transystem iGPS-M Pro Receiver USB, MTK-Chipsatz

Eine Maus für USB.
Dies ist ein Modell (2007) mit einem Chipsatz von MTK (MT3301+MT3179). Die Empfindlichkeit ist/soll vergleichbar mit den bekannten Sirf III sein. Datenblätter zum eigentlichen Chipsatz konnte ich bisher 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 derGanganzeige 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 zuermöglichen.

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-Versorgungsspannung (#8, aus dem Cockpit) muss noch eine 3V-Referenzspannung (#3) für den Logikpegel des Tx-Signals 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 weitere Vorteile. Bereits mit dem Wonde-XL gab es keinerlei Empfangsprobleme.

Noch mehr Empfangsreserve erhält man mit aktuellen GPS-Modulen (z.B. BN-180).

Umbau der Maus, generelle Hinweise

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 nicht verwendet. Es werden keinerlei Steuersignale geschickt und mit einer festen Konfiguration gearbeitet. Falls diese nicht passt (z.B. eine abnorme Baudrate oder ein unnormales Protokoll) dann sollte dies vorher per USB korrigiert werden.

Bei der Verdrahtung müssen eventuelle Signalkollisionen mit den in der Maus noch vorhandenen USB/Bluetooth-Bausteinen bedacht werden. Also besser komplett unterbrechen und abkoppeln.

Meine ursprüngliche Idee war die 3V-Versorgung der Ganganzeige anzuzapfen und direkt zur Versorgung des GPS zu benutzen. Der Stromverbrauch ist aber viel zu hoch und würde den Regler überfordern. der Stromverbrauch zu hoch und der Ganganzeige-Regler würde Probleme bekommen.

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. 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 auch von der Ganganzeige abgesetzt betrieben werden, verbunden durch ein 3-adriges Kabel.

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. Nicht notwendig ist die Rückleitung zum GPS (Rx)

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 seine 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