4、GNSS外围板

世界上有两件东西能震撼人们的心灵：
一件是我们心中崇高的道德标准；
另一件是我们头顶上灿烂的星空。

康德

(1) 引言

\qquad 在单位，我龟缩一角，尽量与外界隔绝。我不敢明理，只敢接受，视规则为雷池，惟恐失去内心安宁。改变规则于我是折磨，可现实中的规则不仅善变，而且无所适从，规则成了摆设甚至把戏。长此以往，世风日下，思想混乱，怎能成就一批层次分明、严谨认真、合乎规矩、自得其乐的工程之师。思想表于面相，深入骨髓，无法想象游离的思想能够创造出纯净无瑕、优美精良的作品！

\qquad 之前，谈到过我决心从零开始学硬件，谈到过单位要安装BD监控设备，这两件事不久产生了交汇，并引发我制作了一块PCB板（今后称之为外围板）。在我4年的硬件学习和制作生涯中，只有这块外围板关联了单位业务，不过它未曾涉及任何正式课题，费用也基本是自掏的。

\qquad 在2011年成功选型、测试、试验和2012年成功试用后，2013年开春单位决定要全面推广监控系统。由于使用中的GPS接收机，多数型号受BD发射信号干扰，因此急需引进一批配套应用设备。调研、选型、测试后，有关人员（今后简称为XYZ）决定要定购一批GNSS OEM板。它是（以前提到过的）A厂商近年推出的新产品，性能、价格、交货期都很合适，但需要针对它开发外围电路板。

\qquad 我向XYZ提出，我要制作这块外围板，他们起初不置可否，后来还是答应了，不过提出了一个条件：半年内拿出可实际应用的样机。实际上，我既然请战，自然已对关键技术有所把握，对诸多细节考虑再三，对若干不足寻找了补偿方案，我觉得半年时间绰绰有余，于是接受了条件。

（图片来源：envato.com）

(2) MB 100板

\qquad 下面以Ashtech MB 100 GNSS OEM板（今后简称为MB 100板或MB板）为例，简述为满足单点定位要求，制作它的一块外围板并将它们封装为一台整机，所需完成的基本工作。要说明的是，实际使用的并非这型OEM板，但具有类似的特性、规格、I/O信号及接口。

图1 MB 100 GNSS板

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\qquad MB 100板用一个26-引脚连接器作为与外围板的接口，下面给出它的各引脚信号定义，目的不为讨论技术细节，只为便于描述开发思路和过程。
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表1：MB 100对外连接器的引脚信号定义

(3) 外围板（第一版）

\qquad 为应用MB 100板完成单点定位任务，外围板的最简实现是：

• 提供电源输入，使MB 100能正常工作；
• 提供数据备份电源（备份电池），以支持板上RTC和改善热启动TTFF；
• 引出2个RS232串口的信号线，以设置MB 100参数和从MB 100输出定位数据；
• 引出PPS输出信号线，为外部设备提供GPS同步信号。

\qquad 于是，通过设计一个电源电路、一个RS232接口电路、一个MB板接口电路，即可组成一个外围板电路。由此，我采用双层PCB、手动布局、自动布线原则，制作了第一版PCB，元器件仍然首选针插式封装，参见图2。结果表明，外围板达到了目的。

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图2 外围电路板（第一版）

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\qquad 图2中的外围电路板功能比实际所需多了不少，设计、制作它花费了将近两个月时间。除前面所述的最简功能外，考虑到今后可能会扩展MB板的应用范围，比如：应用其差分定位功能，同时考虑到为自己学习可编程逻辑设计提供一个新平台，增加了以下芯片和连接器：

• Altera Cyclone II EP2C8 FPGA，PQFP-208封装
• Altera EPCS4配置器件，SI8N封装
• 三星8 MByte SDRAM，TSOP-54封装
• 沁恒 USB 总线接口芯片CH372，SSOP-20封装
• 沁恒U 盘和SD卡文件管理控制芯片CH376S，SOP-28封装
• 8个帖片LEDs
• 连接器：
  • JTAG编程下载接口，针插式封装
  • SD卡连接器，SD-4封装
• 芯片外围电路和附加电源电路用到的元器件，如：晶振芯片

\qquad 图3给出了这些增强功能的原理框图，其基本设计和应用思路是：

• 提供一个基于EP2C8 FPGA的开发平台：
  • 用于存储和载入配置数据的Altera EPCS4串行器件
  • 用于以JTAG模式进行编程、下载的连接器
  • 支持使用EDA工具创建NIOS II软核
  • 提供给NIOS II软核访问的SDRAM存储器
  • 用于FPGA编程、调试的LEDs
• 用USB总线接口芯片CH372接收来自MB板的USB引脚信号(USB+, USB-)，通过CH372的8-位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，将数据传输给NIOS II软核；
• NIOS II软核按照应用规范处理数据，通过文件管理控制芯片CH376S，读写SD卡数据，完成相应任务。

图3 外围板增强功能框图

(4) 外围板（第二版）

\qquad 第一版PCB的成功增强了我的信心，接下来的工作，除了小的电路调整，主要是外壳设计和工艺调整，以便安装成适合实际作业环境的整机。对于外壳，我早有想法，利用单位现有一型整机的外壳。如此，只要“外围板+GNSS MB板”适合安装到现有外壳，待整机装配、测试完成后，很快就能在作业中试验。

\qquad 第二版PCB很快完成了设计和制作，装配完成后的整机在当年就得到了作业试用，真的获得了成功。同样的整机后来又制作了几台，大多用于填补设备空缺，没有得到全面推广。而作为FPGA开发试验平台，后来发现，这型外围板的设计和制作尚存缺陷，因此只用它完成了一些基础设计和试验，如：

• 通过JTAG口使用USB blaster将编译后的映像下载到FPGA；
• 创建和使用NIOS II软核；
• 用硬件逻辑和软件程序实现跑马灯等实验。

(5) 结语

\qquad 制作这型外围板印象最深的体会有以下三点。

1) 事非经过不知难

\qquad 为提供增强功能，外围板选用了一些贴片元器件。手工焊接微细脚距贴片元器件，对我挑战很大，此前没有意识到。但既然是学习和体验，凡事都需尽量DIY。我下载了很多文档、视频学习，花费了不少时间、耗材练习，最终才达到了成功手焊0.5 mm脚距贴片元器件的目标。

2) 精进在于行动和总结

\qquad 作为FPGA开发试验平台，这型外围板并不成功，但我行动了，且某种程度做成了，由此获得了感性认识，积累了经验，为下一次精进打下了基础。

3) 规矩做事，糊涂做人

\qquad 这型整机在正式用于作业之前，发生了一件令人难忘的事情。单位有人将我提交的整机拆解，对其中的外围板进行了逆向测试和分析，但由于技术粗糙，弄断了板上一条走线。此君将走线虚虚搭上，不负责任地将外围板重新装入整机，并交于作业操作员使用。测试期间，整机时好时坏，数次返回我处，直到我后来取出外围板进行全面测试，才发现问题所在。更换外围板后解决了问题，此后整机一直正常。

\qquad 此事何人所为？为何所为？至今没有答案。对此，在我心里，留下两点遗憾：第一，针对这种违规行事之方式、逃避责任之心理；第二，针对由此导致的技术恶果：思想浮躁、不求甚解。殊不知，道德才是求真基础，逆向工程只能知其然，无法知其所以然。

\qquad 可笑的是，这款外围板本应十分简单，一目了然，但由于增加了应用开发电路，以及不得已采用了自动布线技术，使得最终的PCB貌似复杂，无意间迷惑了分析者斜视的双眼。这正是天道自酬勤，难得糊涂人。