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物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中高精度RTK定位方案的實(shí)現(xiàn)_高精度定位模塊

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-26 17:53 ? 次閱讀

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用高精度定位模塊

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用高精度定位模塊的原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

提高定位精度

厘米級(jí)高精度:高精度定位模塊能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)甚至更高的定位精度,這對(duì)于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說是至關(guān)重要的。例如,在智能制造、倉儲(chǔ)物流等領(lǐng)域,精確的位置信息可以顯著提高生產(chǎn)效率和物流準(zhǔn)確性。

降低誤差:相比傳統(tǒng)的定位技術(shù),高精度定位模塊能夠顯著降低定位誤差,使得位置信息更加可靠和準(zhǔn)確。

增強(qiáng)系統(tǒng)性能

快速響應(yīng):高精度定位模塊通常具有較快的響應(yīng)速度,能夠?qū)崟r(shí)更新位置信息,滿足物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

低功耗設(shè)計(jì):許多高精度定位模塊采用低功耗設(shè)計(jì),有助于延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間,降低能耗成本。

抗干擾能力強(qiáng):在復(fù)雜的環(huán)境中,高精度定位模塊能夠抵抗各種干擾因素,如電磁干擾、多徑效應(yīng)等,確保定位結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

滿足多樣化需求

適應(yīng)多種場景:高精度定位模塊可以應(yīng)用于多種物聯(lián)網(wǎng)場景,如室內(nèi)定位、室外定位、車輛追蹤等,滿足不同行業(yè)和領(lǐng)域的需求。

提升用戶體驗(yàn):在智能家居、智慧城市等領(lǐng)域,高精度定位模塊可以為用戶提供更加精準(zhǔn)和個(gè)性化的服務(wù)體驗(yàn),如基于位置的信息推送、導(dǎo)航服務(wù)等。

推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展

促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新:高精度定位技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和升級(jí),為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了更加先進(jìn)和高效的定位解決方案。

拓展應(yīng)用領(lǐng)域:隨著高精度定位模塊在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展,如自動(dòng)駕駛、無人機(jī)配送等新興領(lǐng)域。

具體應(yīng)用領(lǐng)域介紹

除傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域外,高精度位置服務(wù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能駕考、無人機(jī)、通用航空、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的高精度應(yīng)用市場正在顯現(xiàn)出巨大的增長潛力。支持RTK算法的高精度定位模塊特別適用于對(duì)定位精度要求比較高的特定行業(yè)。

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本文會(huì)再為大家詳解定位模塊家族中的一員——高精度定位模塊。

高精度定位模塊的背景

在室外場景,北斗、GPS 等 GNSS定位技術(shù)在持續(xù)的演變,精度越來越高,應(yīng)用面也越來越廣。隨著新基建熱潮的到來,借助5G+新基建,無人駕駛、自動(dòng)駕駛等技術(shù)正在逐步完善,對(duì)于定位的需求已經(jīng)不僅僅只是粗略的軌跡,而是需要高精度的定位來提升用戶體驗(yàn),拓展商業(yè)模式,提升社會(huì)效率。

普通GPS定位模塊、北斗定位模塊會(huì)受到衛(wèi)星端、傳播端、用戶端誤差影響,導(dǎo)致反饋的位置信息定位精度只能達(dá)到米級(jí),而物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的自動(dòng)駕駛、安防/無人機(jī)和消費(fèi)電子等應(yīng)用場景日益對(duì)室外定位提出更高精度的要求,比如1米左右,亞米級(jí),分米級(jí),厘米級(jí)。對(duì)于智能駕駛汽車來說,車道很窄,路邊障礙物之間的距離也更短。這意味著汽車要求的定位精度為10到30厘米。普通定位模塊并不能達(dá)到厘米級(jí)的定位精度,這就需要高精度定位技術(shù)。

按照定位精度定位模塊可分為:

標(biāo)準(zhǔn)高精度定位模塊:通常能達(dá)到米級(jí)定位精度,適用于一般精度要求的場景。

RTK高精度定位模塊:利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的定位精度,特別適用于對(duì)精度要求極高的應(yīng)用場景,如測繪、自動(dòng)駕駛等

高精度RTK(Real - time kinematic,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))定位模塊定義

高精度RTK(Real-time kinematic,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))定位模塊是一種集成了高精度GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))接收器和實(shí)時(shí)差分定位技術(shù)的設(shè)備。它利用載波相位差分技術(shù),通過實(shí)時(shí)處理基準(zhǔn)站和移動(dòng)站之間的衛(wèi)星信號(hào)差異,來消除大部分公共誤差源(如衛(wèi)星軌道誤差、電離層和對(duì)流層延遲等),從而實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的定位精度

RTK定位技術(shù)工作原理

RTK(Real - time kinematic,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài))載波相位差分技術(shù),是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測量站載波相位觀測量的差分方法,將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī),進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。

這是一種新的常用的衛(wèi)星定位測量方法,以前的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度,而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)RTK定位精度的測量方法。

RTK高精度定位技術(shù)是GNSS系統(tǒng)獲取高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的重要手段,RTK定位主要由三部分組成,分別是基準(zhǔn)站接收機(jī)、移動(dòng)站接收機(jī)以及兩站之間數(shù)據(jù)傳輸鏈路。RTK基準(zhǔn)站將修正數(shù)據(jù)或采集的載波相位觀測值通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路發(fā)送給建設(shè)在其數(shù)據(jù)傳輸范圍內(nèi)的移動(dòng)站,移動(dòng)站接收機(jī)接收到的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位差分定位的過程,即為RTK定位過程。

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高精度RTK定位的工作原理是利用GPS信號(hào)的功率相位差測試技術(shù)。GPS數(shù)據(jù)信號(hào)到達(dá)信號(hào)接收器時(shí),數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)在通信衛(wèi)星后受到地球大氣層路面等各種因素的影響時(shí)發(fā)生相位變化。在沒有任何影響的情況下,可以檢測GPS信號(hào)的功率相位變化,但由于影響等各種因素的出現(xiàn),單個(gè)信號(hào)接收器沒有獲得高性能的相位差信息內(nèi)容。

高精度RTK的精確定位是將GPS信號(hào)接收器放置在已知區(qū)域的基準(zhǔn)站,測量基準(zhǔn)站與通信衛(wèi)星之間的相位變化,獲取與基準(zhǔn)站相比的位置信息內(nèi)容。同時(shí),當(dāng)需要定位導(dǎo)航的移動(dòng)網(wǎng)站上放置GPS信號(hào)接收器時(shí),移動(dòng)網(wǎng)站中的GPS信號(hào)接收器與基準(zhǔn)站進(jìn)行通信,將基準(zhǔn)站精確測量獲得的整體相位差數(shù)據(jù)通信給移動(dòng)網(wǎng)站中的GPS信號(hào)接收器。

移動(dòng)網(wǎng)站中的GPS信號(hào)接收器可以將基準(zhǔn)站與通信衛(wèi)星之間的相位角和移動(dòng)網(wǎng)站與通信衛(wèi)星之間的相位角進(jìn)行區(qū)分,從而獲得與基準(zhǔn)站相比的移動(dòng)網(wǎng)站的相位角,從而獲得高性能的定位信息。

RTK定位模塊簡介

RTK定位精度定位模塊能同時(shí)支持GPS、北斗、GLONASS、GALILEO、QZSS和SBAS的衛(wèi)星接收模塊;內(nèi)部集成了RTK解算算法,結(jié)合RTK服務(wù)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位。通過配置可以使模組變?yōu)橐苿?dòng)站。能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與個(gè)人消費(fèi)需要。

RTK定位精度定位模塊把原本復(fù)雜的RTK技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行了合理的包封,用戶可以像使用普通單點(diǎn)定位GPS產(chǎn)品那樣直接使用,得到的卻是厘米級(jí)的定位精度?;赗TK定位模塊的厘米級(jí)精度室外定位解決方案,利用高精度定位技術(shù),內(nèi)置于終端產(chǎn)品/設(shè)備中的高精度定位模塊結(jié)合實(shí)際視圖情況,快速、準(zhǔn)確定位其所在位置,管理員可通過管理平臺(tái)查看終端產(chǎn)品/設(shè)備的實(shí)時(shí)位置以及歷史行進(jìn)軌跡。

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RTK定位模塊硬件介紹

以和芯星通UM980為例:主要接口包括:天線接口,UART以及其他接口

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RTK定位模塊單頻信號(hào)與雙頻信號(hào)

GPS衛(wèi)星信號(hào)分為L1和L2,頻率分別為1575.42MHZ和1228MHZ。北斗信號(hào)為:B1,B2,B3,頻率分別為1561.098MHZ,1207.12MHZ,以及1268.52MHZ. 接受信號(hào)是單頻還是雙頻卻決于RTK模塊,雙頻機(jī)通過接受兩組不同頻率的衛(wèi)星信號(hào),可以有效消除電離層的誤差。雙頻機(jī)對(duì)比與單頻機(jī)可以提供更為快速、更為精確、可靠的解算,但是價(jià)格相對(duì)昂貴。雙頻模組通常支持的頻段是:L1,B1,這樣設(shè)計(jì)天線比較方便.

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RTK定位模塊的天線(GNSS,4G

像天線這種東西,分類有很多種方法,但是任何東西,對(duì)于使用者最好是以功能分類。不同的天線的工作頻率不一樣,所以功能也不一樣。GPS天線的工作頻率是在1.2-1.6G左右,4G天線的工作頻段在1.7-2.7G之間,GPS天線有可能在4G的低頻段可以工作,但是高頻段的指標(biāo)會(huì)很差。一般情況下是沒辦法共用的。

主流定位天線:

平面貼片天線

市面上普通陶瓷天線屬于此類

平面螺旋天線

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四臂螺旋天線

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四柱螺旋式天線由四條特定彎曲的金屬線條所組成,不需要任何接地,它具備有Zapper天線的特性,也具備垂直天線的特性。此種巧妙的結(jié)構(gòu),使天線任何方向都有3dB的增益,增加了衛(wèi)星訊號(hào)接收的時(shí)間。四柱螺旋式天線擁有全面向360度的接收能力,因此在與PDA結(jié)合時(shí),無論P(yáng)DA的擺放位置如何,四柱螺旋式天線皆能收到信號(hào),有別于使用平板GPS天線需要平放才能較好的接收效果。使用此種天線,當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)于地平面上10度時(shí),即可收到衛(wèi)星所傳送的訊號(hào)。

蘑菇頭天線

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蘑菇頭天線也被用于接收衛(wèi)星信號(hào),并將其傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘系統(tǒng)中進(jìn)行精確的時(shí)間計(jì)量。這種天線的形狀設(shè)計(jì)和材料選擇能有效抑制多徑效應(yīng)和噪聲干擾,提高信號(hào)接收的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

定向天線

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定向天線有區(qū)別于定位天線,有時(shí)需要同時(shí)使用,但對(duì)于移動(dòng)物體,也可以軟件處理兩點(diǎn)的經(jīng)緯度得到方向角

RTK定位模塊模式

目前的RTK模塊大都支持多模衛(wèi)星信號(hào),即可同時(shí)從GPS、北斗、伽利略收星

數(shù)據(jù)獲取及二次開發(fā)(串口輸出報(bào)文)

串口(UART)一般用于配置設(shè)備和數(shù)據(jù)讀取,我們通常通過ttl或485串口連接GPS模塊讀取GPS報(bào)文,做相應(yīng)的本地開發(fā),大多數(shù)參數(shù)可以從【GPS報(bào)文】中讀取,從而判斷定位狀態(tài),格式如下:

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

<1> UTC時(shí)間,hhmmss.sss(時(shí)分秒)格式

<2> 緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

<3> 緯度半球N(北半球)或S(南半球)

<4> 經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸)

<5> 經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng))

<6> GPS狀態(tài):0=未定位,1=非差分定位,2=差分定位,4=固定解算,5=浮動(dòng)解算,6=正在估算 ;當(dāng)GPS狀態(tài)達(dá)到4時(shí),為最佳狀態(tài),5為次佳

<7> 正在使用解算位置的衛(wèi)星數(shù)量(00~N)(前面的0也將被傳輸)

<8> HDOP水平精度因子(0.5~99.9)

<9> 海拔高度(-9999.9~99999.9)

<10> 地球橢球面相對(duì)大地水準(zhǔn)面的高度

<11> 差分時(shí)間(從最近一次接收到差分信號(hào)開始的秒數(shù),如果不是差分定位將為空)

<12> 差分站ID號(hào)0000~1023(前面的0也將被傳輸,如果不是差分定位將為空)

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GNSS測試軟件工具界面

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通過串口連接導(dǎo)航定位設(shè)備,可實(shí)時(shí)打印串口數(shù)據(jù),分析并展示定位信息、搜星情況、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度等關(guān)鍵信息,同時(shí)支持測試數(shù)據(jù)的抓取歸檔。另外還集成了一些小工具,如:NMEA/KML轉(zhuǎn)換、差分?jǐn)?shù)據(jù)注入、指令配置管理等。

注意事項(xiàng)

RTK模塊定位質(zhì)量受諸多因素影響,若未達(dá)到最佳解算狀態(tài)或精度不理想,可以嘗試以下手段:

檢查4G天線和GPS天線是否匹配、是否松動(dòng)

檢查SIM卡是否欠費(fèi)或松動(dòng)

查看報(bào)文中的收星數(shù),在空曠位置測試獲得更多收星,室內(nèi)GPS是無法定位的,手機(jī)之所以可以在室內(nèi)定位是因?yàn)榻Y(jié)合了Wifi定位等技術(shù)

查看基站服務(wù)是否過期

RTK模塊GNSS參數(shù)

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RTK技術(shù)優(yōu)勢和局限性

RTK技術(shù)和差分GPS都是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中的重要組成部分,它們都可以提供高精度的定位信息,但它們?cè)趦?yōu)勢和局限性方面存在差異。

優(yōu)勢:

RTK技術(shù)(Real-Time Kinematic)是一種通過接收基準(zhǔn)站發(fā)射的范圍廣播信號(hào)進(jìn)行差分計(jì)算,實(shí)現(xiàn)高精度定位的技術(shù)。RTK技術(shù)優(yōu)勢在于其精度高,可以達(dá)到厘米級(jí)別。同時(shí),由于基準(zhǔn)站會(huì)不斷發(fā)送信號(hào),所以其定位速度也相對(duì)較快,并且可以在復(fù)雜的環(huán)境中維持較高的精度,如建筑都市區(qū)域、山區(qū)等。

劣勢:

然而,RTK技術(shù)也存在一些不足之處。首先,其必須使用基準(zhǔn)站,這就需要在使用的區(qū)域內(nèi)建造基站,增加了使用成本和操作難度。其次,RTK在使用時(shí)可能會(huì)受到環(huán)境干擾,如高建筑物、天氣不好等,從而降低其精度。此外,RTK在無法獲取基準(zhǔn)站信號(hào)時(shí)將無法工作。而提升地面參考基站的質(zhì)量,數(shù)量和分布將有效提高RTK高精定位的服務(wù)方位和準(zhǔn)確性.

主要廠家

RTK產(chǎn)品做的比較成熟的廠家,國外主要是天寶,國內(nèi)主要是和芯星通、中海達(dá)、司南、華測和芯星通等

高精度RTK定位模塊應(yīng)用場景

除傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域外,高精度位置服務(wù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)、智能駕考、無人機(jī)、通用航空、車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的高精度應(yīng)用市場正在顯現(xiàn)出巨大的增長潛力。支持RTK算法的高精度定位模塊特別適用于對(duì)定位精度要求比較高的特定行業(yè)。

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供應(yīng)商A:和芯星通

1、產(chǎn)品能力

(1)選型手冊(cè)

(2)主推型號(hào)1:UM980

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

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UM980 是和芯星通自主研發(fā)的新一代 BDS/GPS/GLONASS/Galileo/QZSS 全系統(tǒng)全頻高精度 RTK 定位模塊,基于和芯星通自主研發(fā)的新一代射頻基帶及高精度算法一體化GNSS SoC 芯片—NebulasIV 設(shè)計(jì)??赏瑫r(shí)跟蹤 BDS, GPS, GLONASS, Galileo, QZSS,NavIC, SBAS, L-Band* 等全系統(tǒng)全頻點(diǎn)。內(nèi)嵌的多頻點(diǎn)抗干擾技術(shù),完成增強(qiáng)的多模多頻 RTK 引擎解算,顯著改善城市街區(qū)和樹蔭等復(fù)雜環(huán)境下的 RTK 初始化速度、測量精度和可靠性。面向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、測量測繪等高精度導(dǎo)航定位領(lǐng)域。

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產(chǎn)品特點(diǎn)

● 基于最新一代 NebulasIV 射頻基帶及高精度算法一體化 GNSS SoC 芯片

● 全系統(tǒng)全頻RTK引擎及滿天星RTK技術(shù)

● 瞬時(shí)RTK初始化技術(shù)

● 60 dB窄帶抗干擾技術(shù),支持干擾檢測

● 支持Heading2定向技術(shù)

● 支持STANDALONE單站高精度定位

● 支持B2b-PPP和E6-HAS

性能指標(biāo)

物理特性

環(huán)境指標(biāo)

功能接口

注:標(biāo)注*部分為特定固件版本/硬件型號(hào)支持

硬件參考設(shè)計(jì)

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研發(fā)設(shè)計(jì)注意使用事項(xiàng)

1.天線饋電設(shè)計(jì)

UM980 不支持內(nèi)部天線饋電,需要從模塊外部給天線饋電,建議盡量選擇高耐壓、大 功率的器件;還可以在饋電電路上增加氣體放電管、壓敏電阻、TVS 管等大功率的防護(hù)器件, 可有效提高防雷擊與防浪涌的能力。

如果 ANT_BIAS 天線饋電和模塊 VCC 主供電是相同的電源軌,則天線端引入的 ESD、 浪涌、過壓會(huì)加到模塊 VCC 主供電上,從而導(dǎo)致模塊的損壞。建議 ANT_BIAS 采用獨(dú) 立的電源軌,以降低模塊損壞的概率。

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UM980 外部天線饋電參考電路

備注:

① L1:饋電電感,推薦 0603 封裝的 68nH 射頻電感

② C1:去耦電容,推薦各由 100nF/100pF 兩個(gè)電容并聯(lián)

③ C2:隔直電容,推薦 100pF 的電容

④ VCC_RF 不建議作為 ANT_BIAS 給天線饋電(因受限于模塊體積,VCC_RF 未做防 雷擊、防浪涌、過流保護(hù)處理)

⑤ D1:ESD 二極管,應(yīng)選用支持高頻信號(hào)(2000MHz 以上)的 ESD 防護(hù)器件

⑥ D2:TVS 二極管,根據(jù)饋電電壓、天線耐壓等指標(biāo)選擇鉗位特性達(dá)標(biāo)的 TVS 管

2.模塊上電與下電 VCC

模塊 VCC 上電起始電平需要低于 0.4V。

模塊 VCC 上電電源坡道必須是單調(diào)的,不能有平緩處。

模塊 VCC 上電的下沖與振鈴需小于 5% VCC。

VCC 上電波形,從 10%到 90%的上升時(shí)間需在 100μs~1ms 范圍內(nèi)。

上電時(shí)間間隔,模塊 VCC 下電低于 0.4V 后,到下一次開始上電,時(shí)間間隔需大于 500ms。 V_BCKP 模塊 V_BCKP 上電起始電平需要低于 0.4V。

模塊 V_BCKP 上電電源坡道必須是單調(diào)的,不能有平緩處。

模塊 V_BCKP 上電的下沖與振鈴需小于 5% V_BCKP。

V_BCKP 上電波形,從 10%到 90%的上升時(shí)間需在 100μs~1ms 范圍內(nèi)。

上電時(shí)間間隔,模塊 V_BCKP 下電低于 0.4V 后,到下一次開始上電,時(shí)間間隔需大于 500ms。

3.接地與散熱

UM980 模塊中間矩陣形的 48 個(gè)焊盤用于接地與散熱,在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)須接到大面積地 平面上,以加強(qiáng)模塊散熱。

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UM980 接地與散熱焊盤(底視圖)

4.PCB 封裝推薦設(shè)計(jì)

UM980 的 PCB 封裝推薦設(shè)計(jì)參見下圖。

wKgZomb1Ly6AafVMAADx8befhOg106.jpg

PCB 封裝推薦設(shè)計(jì)

說明: 為了方便測試,功能管腳焊盤設(shè)計(jì)的較長、超出模塊外框較多。

例如:

detail C 描述的焊盤超出模塊外框 1.79mm;

detail A 描述的焊盤超出模塊外框 0.50mm;因這些焊盤是射頻管腳,希望其在表層的 走線盡量短,減小外部干擾對(duì)射頻信號(hào)的影響,所以設(shè)計(jì)的適當(dāng)短一些

5.腳本測試指令

wKgaomb1Ly-ANl9OAAKRCEcUHGM085.jpg

2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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Cellular IoT Wiki沉淀的技術(shù)內(nèi)容方向如下:

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