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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.

GNSS

GNSS (Global Navigation Satellite System) ist der Oberbegriff für das ganze Thema Positionsbestimmung. Umgangssprachlich wird aber fast immer nur der Titel "GPS" verwendet weil GPS das erste und lange Zeit einzige System war.

Zu GNSS gehören heute (2020) insgesamt 4 unterschiedliche Systeme. Aktuelle GNSS Empfänger sind in der Lage mehrere System gleichzeitig zu empfangen und auszuwerten:

Name Anmerkung
GPS NAVSTAR GPS, USA, Verteidigungsministerium
GLONASS Russische Föderation, Verteidigungsministerium
Galileo EU, zivil
Beidou Volksrepublik China, Volksbefreiungsarmee

Es existieren noch 2 weitere Systeme, die aber nur in geographisch begrenzten Bereichen Bedeutung haben:
Name Anmerkung
QZSS Quasi Zenit Satelliten System, Japan und Asien/Pazifik
IRNSS Indian Regional Navigation Satellite System, Indien

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.
GPS GPS GPS
GPS GPS GPS
GPS GPS GPS






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.
GPS GPS GPS
GPS GPS
GPS GPS

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).
GPS GPS GPS
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.
GPS GPS GPS GPS
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.
GPS GPS GPS
GPS GPS
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:
GPS GPS GPS
GPS
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.
GPS GPS
GPS GPS
GPS GPS
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.
GPS

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):
GPS Wichtige Signale

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:

GPS
Ein Pfeil der den "wahren" Kurs über Grund anzeigt und die momentane Höhe über NN in Metern (genaugenommen über dem Ellipsoid vom WGS84).

GPS
Eine Kompass-Anzeige.

GPS
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.

GPS
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.

GPS
UTC-Zeit und Anzahl der erkannten Satelliten.

GPS
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