Diplomarbeit

Ein auf WWAN basierendes Telemetriesystem

für Rennsportanwendungen

Christoph Adelmann

Institut für Elektronik

Technische Universität Graz

A-8010 Graz

Betreuer: Ass. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernd Eichberger

Graz, 19.10.2011

Diplomarbeit

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Zusammenfassung

Diese Arbeit dokumentiert die Entstehung eines Telemetriesystems für Rennsport-

Anwendungen. Um den Zustand eines Rennwagens und die Fahrlinie während eines Ren-

nens oder Trainings in Echtzeit zu bewerten, ist es notwendig Positions- und

Telemetriedaten (Geschwindigkeit, Drehzahl, Gang, Drücke, Temperaturen usw.) zu erfas-

sen und so rasch wie möglich dem Technikteam bereitzustellen.

Für die Ermittlung der Fahrlinie wird ein GPS-System verwendet, welches in der Lage ist,

die Position mit hinreichender Genauigkeit und zeitlicher Auflösung zu erfassen. Die Mo-

tordaten werden über ein CAN-Interface eingelesen, welches sich durch eine hohe Zuver-

lässigkeit auszeichnet. Übertragen werden die gesammelten Daten mittels eines WWAN-

Modules (Wireless Wide Area Network), basierend auf GPRS/UMTS, zu einem Server.

Durch die Verwendung eines WWAN-Modules wird eine flexible Nutzung des Systems

gewährleistet, da kein zusätzlicher Aufwand an Equipment für die Datenübertragung am

Einsatzort notwendig ist. Auf dem Server werden die Daten gespeichert und stehen dem

Anwender zur Ansicht in Echtzeit mit entsprechender Software bereit.

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Abstract

This work describes the development of a telemetry system for racing applications. To

evaluate the state and the trajectory of a racing car during race or practice in real time, it is

necessary to capture position and telemetry data (speed, rpm, gear, pressure, temperature,

etc.) and provide it to the team as quickly as possible.

To determine the trajectory of the car, a GPS system is used which is able to detect the

position with reasonable accuracy and sufficient temporal resolution. The engine data is

acquired via a CAN interface. The collected data is then transferred to a server on the In-

ternet using a WWAN module (Wireless Wide Area Network) based on GPRS/UMTS.

This communication technology provides a flexible application of the system, because no

additional equipment is necessary for data transmission in the field.

On the server the information is finally stored and additionally, if appropriate software is

installed, made available to the user in form of a real-time visualization.

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Danksagung

Diese Diplomarbeit widme ich meinen Eltern, Geschwistern und Freunden, die durch ihre

Unterstützung und unerschöpfliche Geduld mir die Vollendung dieser Arbeit und des Stu-

diums ermöglichten.

Besonders danke ich Dr. Bernd Eichberger für die ausgezeichnete und freundschaftliche

Betreuung während der Diplomarbeit.

Weiteres möchte ich mich bei allen Kolleginnen und Kollegen am Institut für Elektronik

für ihre Unterstützung bedanken. Spezieller Dank gilt DI Harald Axmann, Reinhard

Klambauer, BSc, Dr. Michael Hinterberger und Dipl.-Ing. Stefan Nöhammer für ihre Rat-

schläge und moralische Unterstützung.

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Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung 1

Abstract 2

Danksagung 3

Abkürzungsverzeichnis 6

1 Einleitung 9

2 Systemdefinition 11

2.1 Anforderungen 11

2.2 Komponentenauswahl 12

3 Grundlagen 14

3.1 GPS-Empfänger 14

3.2 CAN-Bus 18

3.3 WWAN-Modul 20

4 Entwicklung und Realisierung 23

4.1 Hardware 23

4.1.1 Spannungsversorgung 25

4.1.2 Überspannungsschutz und Strombegrenzung 26

4.1.3 RS232-Interface 30

4.1.4 CAN-Interface 32

4.1.5 Eingänge und Ausgang 32

4.1.6 Konfigurationsspeicher 34

4.1.7 Speicherkarten-Interface 34

4.1.8 WWAN - Modul 36

4.1.9 GPS und Statuslampen 38

4.2 Firmware 40

4.2.1 Gliederung der Firmware 40

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4.2.2 Applikation 41

4.2.3 DAQ-Task 43

4.2.4 Main-Task 44

4.2.5 Verbindungssteuerung 45

4.2.6 Übertragungsrahmen 47

4.3 PC-Softwares 50

4.3.1 Konfigurationssoftware 50

4.3.2 Upgrade-Software 51

5 Messungen 53

5.1 GPS-Vergleichsmessungen 55

5.2 Feldtests 58

Abbildungsverzeichnis 66

Tabellenverzeichnis 69

Literaturverzeichnis 70

Anhang I - Schaltpläne 72

Anhang II - Bestückungspläne 82

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Abkürzungsverzeichnis

ADC Analog to Digital Converter

APN Access Point Name

ARM Advanced RISC Machine

ASCII American Standard Code for Information Interchange

APOS Austrian Positioning Service

CAN Controller Area Network

CDGPS Canada-Wide DGPS Correction Service

CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor

CRC Cyclic Redundancy Check

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

DAC Digital to Analog Converter

DAQ Data Acquisition

DGPS Differential Global Positioning System

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service

EOBD European On Board Diagnostics

ESD Electrostatic Discharge

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

FIFO First In First Out

FTP File Transfer Protocol

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GNSS Global Navigation Satellite System

GPRS General Packet Radio Service

GPS Global Positioning System

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HAL Hardware Abstraction Layer

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

IIC Inter-Integrated Circuit

IIS Inter-IC Sound, Integrated Interchip Sound

IP Internet Protocol

IP Ingress Protection

ISO International Organization for Standardization

LED Light Emitting Diode

MD5 Message Digest Algorithm 5

MMC Multimedia Card

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

OBD On Board Diagnostics

OTG On-The-Go

PSK Phase Shift Keying

PWM Pulse Width Modulation

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

RMS Root Mean Square

RS232 Recommended Standard 232

RTK Real Time Kinematic

RTOS Real Time Operating System

SBAS Satellite Based Augmentation System

SD Secure Digital

SD Standard Deviation

SDHC Secure Digital High Capacity

SFTP Secure Shell File Transfer Protocol

SIM Subscriber Identity Module

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SMD Surface Mounted Device

SMTP Simple Mail Transfer Protocol

SPI Serial Peripheral Interface

SRAM Static Random Access Memory

SSP Synchronous Serial Port

TCP Transmission Control Protocol

TDMA Time Division Multiple Access

TTL Transistor Transistor Logic

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

UDP User Datagram Protocol

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

USB Universal Serial Bus

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WWAN Wireless Wide Area Network

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Kapitel 1

Einleitung

Die Ursprünge des Motorsports liegen in Rennfahrten zwischen den ersten Besitzern von

Automobilen im 19. Jahrhundert. Aufgrund des großen öffentlichen Interesses hat sich

diese Sportart immer weiter entwickelt. Die Grundzüge, ein Auto zu bauen und das Ren-

nen zu gewinnen, sind gleich geblieben, der Weg dorthin ist mit der Zeit immer komplexer

geworden. Heutzutage wird ein immenser technischer Aufwand betrieben um das Ziel zu

erreichen, den obersten Platz am Podest. Dabei spielt die Überwachung des Rennwagens

und des Fahrers in Aktion eine sehr große Rolle, in allen Stadien der Entwicklung und dem

Rennen.

So liefern technische Daten des Rennautos im Einsatz viele Informationen über das Ver-

halten und den Zustand des Fahrzeuges. Dadurch ist es den Konstrukteuren und der Bo-

xencrew möglich Verbesserungen am Fahrzeug vorzunehmen oder Einstellungen zu än-

dern um sich einer Situation anzupassen. Während des eigentlichen Rennens wird durch

eine Überwachung die Möglichkeit geschaffen, das Auftreten eines Fehlers im Vorfeld zu

erkennen und darauf zu reagieren um einen Ausfall zu vermeiden.

Wie in jeder Sportart ist auch im Motorsport das Training ein entscheidender Faktor über

Sieg oder Niederlage. So sind neben den reinen Fahrzeugdaten auch die fahrtechnischen

Fähigkeiten des Fahrers von hohem Interesse. Wie und ob er eine Kurve richtig anfährt, die

Abweichung von der Ideallinie, Sektorzeiten usw. Um eine solche Auswertung zu ermög-

lichen, ist eine Bestimmung der Position des Rennwagens auf der Strecke notwendig. Mit

solchen Daten lässt sich ein Training oder die Ausbildung sehr effizient gestalten. So kann

der Trainer den Fahrer auf der gesamten Strecke viel genauer verfolgen und entsprechende

Anweisungen geben. Danach kann der Lenker des Rennautos sich seine Fahrlinie ansehen

oder mit anderen vergleichen.

Um die gewünschten Daten von einem Fahrzeug während des Einsatzes zu bekommen

bedient man sich der Hilfe von Telemetriesystemen. Dabei handelt es sich im Allgemeinen

um Vorrichtungen zur Entgegennahme von Messdaten und deren Weiterleitung zu einer

räumlich getrennten Stelle über eine Datenverbindung. Die Wandlung der physikalischen

Messgröße in eine elektrische Größe ist nicht Aufgabe der Telemetrie sondern der Mess-

technik. Weiters ist eine Auswertung der übertragenen Daten ebenfalls nicht Teil der Te-

lemetrie.

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Erreicht wird die Überwachung des Autos und des Fahrers mit drei Komponenten: Der

Datenerfassung (Sensoren und Anpassung), der Datenübertragung (Telemetrie) und der

Anzeige bzw. Auswertung der Informationen.

Die Hersteller von solchen Systemen bieten heutzutage fast immer Lösungen zu allen drei

Bereichen an. Dabei reicht das Spektrum von professionellen Systemen für große Teams

bis hin zu semiprofessionellen Lösungen für kleinere Teams. Vorteil einer Komplettlösung

ist ein kompakter Aufbau des Gesamtsystems, Wartung und Support von einem Anbieter.

Für ein kleines Team entsteht dadurch eventuell der Nachteil, dass es mehr Funktionalität

kaufen muss als es benötigt, da das System für einen universellen Einsatz gedacht ist und

für diesen Verwendungszweck überdimensioniert ist.

Ziel dieser Arbeit war es, ein kompaktes, maßgeschneidertes System für die Übertragung

der Fahrzeugdaten und der Position auf der Strecke zu entwickeln. Der Umfang dieses Sys-

tems beschränkt sich auf die Entgegennahme der Daten vom Rennwagen, die Bestimmung

der Position und die Weiterleitung der gesammelten Daten an einen Server im Internet.

Dabei soll der Einsatz auf der Rennstrecke so einfach wie möglich gehalten werden. Der

Nutzer dieses Systems benötigt neben der eigentlichen Einheit, welche im Auto verbaut ist,

nur noch einen Laptop mit Internetverbindung um auf die Daten zuzugreifen. Im optimals-

ten Fall kommt der Anwender mit dem installierten System zur Rennstrecke, startet eine

Analysesoftware am Rechner und kann beginnen die Telemetriedaten zu empfangen.

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Kapitel 2

Systemdefinition

In diesem Kapitel werden die grundsätzlichen Anforderungen definiert und die Hauptkom-

ponenten ausgewählt, welche für die Realisierung des Systems notwendig sind.

Anforderungen 2.1

Bei dieser Arbeit soll ein Prototyp für ein kompaktes Telemetriesystem entstehen, mit wel-

chem Motor- und Positionsdaten von Fahrzeugen erfasst werden können. Diese Daten sol-

len anschließend zu einem Server im Internet gesendet werden. Dabei muss immer darauf

geachtet werden, dass das System so einfach wie möglich gehalten wird, um eine leichte

Handhabung zu garantieren.

Für die Erfassung der Motordaten ist ein Interface zu wählen, das in den meisten Fahrzeu-

gen vorhanden ist und eine robuste Datenübertragung gewährleistet. Um auch schnellere

Vorgänge im Auto darstellen zu können, sollen die Motordaten mindestens 20 mal pro Se-

kunde übertragen werden.

Die Bestimmung der Position auf der Stecke muss im Submeterbereich und mit mindestens

zehn Punkten pro Sekunde erfolgen, um einen Vergleich der Fahrlinien in Bezug auf Ort

und Zeit zu ermöglichen.

Für die Übertragung der gesammelten Daten soll kein zusätzlicher Empfänger auf der Stre-

cke notwendig sein. Die Daten müssen direkt zum Server übermittelt werden. Sicherge-

stellt soll auch sein, dass die Daten von keinem Dritten mit einfachen Mitteln eingesehen

werden können, während sie auf den Server übertragen werden.

Da es nicht auszuschließen ist, dass das Gerät während des Einbaues bzw. im Einsatz mit

Flüssigkeiten in Berührung kommt, sollen das Gehäuse und die Steckverbindungen min-

destens der Schutzklasse IP55 (Ingress Protection) genügen.

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Komponentenauswahl 2.2

Als nächster Schritt mussten die Hauptkomponenten gewählt werden, mit welchen die An-

forderungen erfüllt werden.

Bei dem GPS-Empfänger für die Positionsbestimmung fiel die Wahl auf eine kompakte

Platine der Firma NovAtel [NET1] aus Kanada. Es handelt sich dabei um einen Empfänger

mit der Bezeichnung OEMV-1, sie ist für das Amerikanische GPS - System [WIKI3] (of-

fiziell NAVSTAR GPS) ausgelegt. Mit diesem Produkt ist es möglich, die Position im

Submeterbereich und 20mal pro Sekunde zu erfassen. Dies wird durch einen speziellen

Betriebsmodus erreicht, welcher in Kapitel 3.1 beschrieben wird. Als weiterer Pluspunkt

sei zu erwähnen, dass dieser Empfänger ein Modell aus einer Produktgruppe ist, welche

alle die gleiche Baugröße und Steckerposition haben. Hiermit wird ein Austausch gegen

andere oder zukünftige Versionen erleichtert und man kann die Positionsbestimmung im-

mer aktuell halten (Stichwort GALILEO-Navigationssystem [WIKI4]).

Für die Erfassung der Motordaten wurde der CAN-Bus [3,4] gewählt. CAN steht für „Con-

troller Area Network“ und ist ein Zweidrahtinterface für die serielle Datenübertragung mit

einem sehr hohen Grad an Sicherheit. Entwickelt hat dieses BUS-System die Firma Bosch.

Durch die ISO (International Standardisation Organisation) wurde dieses Interface stan-

dardisiert (ISO 11898 [15,16,17]). Fast alle Automobilhersteller verwenden dieses System

für die Verbindung von Steuergeräten, Sensoren und Aktoren innerhalb ihres Fahrzeuges.

Mit der Einführung der On-Board-Diagnose (OBD) und deren Vorschreibung in Europa

(EOBD) für zugelassene Fahrzeuge steht ein einheitliches Steckersystem zur Verfügung,

an welchem ein CAN-Interface zugänglich ist. Damit können eine Vielzahl an Informatio-

nen während des Betriebs des Autos ermittelt werden. In Rennautos wird der CAN-Bus

ebenfalls verwendet, es gibt jedoch meist keinen einheitlichen Zugang zum Bus, sodass

eventuell ein Eingriff in den Kabelbaum des Fahrzeuges notwendig ist.

Nachdem die Komponenten für die Bestimmung der Position und der Motordaten ausge-

wählt wurden, musste eine Möglichkeit für die Übertragung der Daten gefunden werden.

Da die Informationen direkt an einen Server gesendet werden sollen kam nur ein WWAN -

Modul infrage. Mit WWAN werden Funknetzwerke für die Übertragung von Daten über

weite Strecken bezeichnet. Zu dieser Kategorie zählen z. B. Mobilfunknetze (GPRS,

UMTS) oder Satellitenverbindungen. Die Wahl eines Modules für das Mobilfunknetz er-

schien logisch, da GPRS- bzw. UMTS-Netze in sehr vielen Ländern zur Verfügung stehen

und der Anwender lediglich eine gültige SIM-Karte braucht, um die Datenübertragung zu

ermöglichen. Das Modell UC864-E der Firma Telit [NET2] erschien passend, da es fast

alle Übertragungsstandards (GSM, GPRS, EDGE, UMTS und HSDPA) unterstützt. Für die

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Anbindung an das restliche System steht eine serielle Schnittstelle zur Verfügung, weiters

hat es einen TCP/IP-Stack integriert, was den Aufbau der Kommunikation zum Server

erleichtert. Ähnlich dem GPS-Empfänger hat dieses Modem einen definierten Formfaktor,

was ein Austauschen gegen andere Modelle der Fa. Telit erleichtert.

Gesteuert wird das gesamte System von einem Mikrocontroller der Firma NXP. Dieser

Controller (LPC2387 [5,6]) basiert auf einem ARM7-Kern und zeichnet sich durch eine

reichhaltige Anzahl von Schnittstellen und Speicher aus. Mit einer Taktfrequenz von

72MHz ist die Rechengeschwindigkeit mehr als ausreichend für die Realisierung des Sys-

tems.

Alle Komponenten werden in ein ALUBOS-Gehäuse der Firma ROSE+BOPLA eingebaut

und mit Steckverbindungen der Serie 712-M9 von Binder versehen. Die Stecker und das

Gehäuse erfüllen bei sachgerechtem Einbau mindestens die Schutzklasse IP65.

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Kapitel 3

Grundlagen

In diesem Kapitel werden die Grundlagen zu den wichtigsten Komponenten des Systems,

deren Eigenschaften und spezielle Betriebsmodi beschrieben.

GPS-Empfänger 3.1

Abbildung 1 zeigt einen GNSS-Empfänger [WIKI3,WIKI4] aus der OEMV-1-Serie

[10,11] der Firma NovAtel [NET1]. Diese Serie besteht aus drei Typen, welche sich durch

unterschiedliche Betriebsmodi und Empfangsmöglichkeiten (GLONASS, NAVSTAR, L1

und L2) unterscheiden. Für diese Applikation wurde das Basismodell „OEMV-1“ gewählt.

Abbildung 3.1: OEMV-1 Series GPS-Receiver

Dieses Modell ist ein reiner NAVSTAR-GPS-Empfänger (GPS der USA) und unterstützt

neben der Standardmöglichkeit (Single Point L1) zur Positionsbestimmung noch DGPS

und RTK20 um die Genauigkeit der Position zu erhöhen. Speziell mit dem RTK-Modus ist

es möglich, eine Auflösung der Position von 20cm (RMS) zu erreichen. Diese Genauigkeit

ist notwendig, um einen seriösen Vergleich der Fahrlinien des Fahrzeuges zu gewährleis-

ten. Die Kommunikation mit dem Empfänger erfolgt über zwei serielle Schnittstellen oder

ein USB-Interface welche an einem zentralen Steckverbinder zur Verfügung stehen. Ge-

steuert wird das Modul durch Kommandos die wahlweise Binär oder im ASCII-Format

gesendet werden. Navigationsdaten vom Empfänger werden ebenfalls binär- oder ASCII-

Kodiert gesendet, wobei bei dieser Applikation die binäre Datenübertragung gewählt wur-

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de. Diese ist kompakter und es ist keine weitere Konvertierung, in ein für den Controller

verständlicheres Format, notwendig. Eine Trennung zwischen Datenkanal und Steuerkanal

ist durch die zwei Schnittstellen besonders elegant, sodass eine Überwachung der Emp-

fangsqualität währen der Datenverarbeitung möglich ist.

Im Weiteren werden die drei Betriebsmodi kurz beschrieben, welche bei der Telemetrie

zum Einsatz kommen. In Tabelle 3.1 sind diese Modi und ihre Genauigkeiten aufgelistet.

Modus Genauigkeit (RMS)

Single Point L1 1.8m

SBAS 0.6m

CDGPS 0.6m

DGPS 0.45m

OmniSTAR VBS 0.7m

RTK20 0.2m

Tabelle 3.1: OEMV-1 Genauigkeiten [11]

Positionsbestimmung ohne Korrekturdaten (Single Point L1)

Dies ist die grundsätzliche Methode zur Ermittlung der Position auf der Erde. Durch Mes-

sung der Abstände zwischen den Satelliten und dem Empfänger und dem Wissen um die

absolute Lage der Satelliten innerhalb eines Koordinatensystem ist es dem Empfänger

möglich seine Position durch Berechnung des gemeinsamen Schnittpunktes der Kugelober-

flächen zu berechnen (Abbildung 3.2).

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Abbildung 3.2: Positionsbestimmung mit drei Satelliten

Der Abstand zwischen Satellit und Empfänger wird durch die Laufzeit des Signals gemes-

sen, die absolute Position der Satelliten ist in den Nutzdaten der ausgesendeten Information

enthalten.

Fehler in der Position entstehen durch Ungenauigkeiten in der Abstandsbestimmung, be-

dingt durch z.B. atmosphärische Effekte die die Laufzeit verändern oder durch Abwei-

chungen der Sollposition der Satelliten.

DGPS/RTK

Um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu erhöhen gibt es mehrere Möglichkeiten.

Zum einen können die Daten nach der Erfassung mittels Korrekturdaten verbessert werden

(Postprocessing), zum anderen können Echtzeitkorrekturdaten an den Empfänger gesendet

werden, um eine augenblickliche Erhöhung der Genauigkeit zu erzielen. Diese Echtzeitver-

fahren werden als DGPS (Differential GPS) und als RTK (Real-Time-Kinematic) be-

zeichnet. Dabei muss unter Umständen ein zusätzlicher Geräteaufwand betrieben werden.

In Abbildung 3.3 ist ein prinzipieller DGPS-, RTK-Aufbau dargestellt. Das System besteht

jetzt aus zwei GPS-Empfängern: dem Rover, welcher dem Telemetriesystem entspricht

und sich bewegt und einer Basisstation. Eine Datenverbindung von der Basisstation um

Rover muss ebenfalls vorhanden sein, um die Korrekturdaten zu übertragen.

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Abbildung 3.3: DGPS-, RTK-Konfiguration

Prinzipiell funktioniert das System wie folgt:

Die Basisstation wird auf einer ihr genau bekannten Position aufgebaut. Durch den Ver-

gleich der bekannten Position und der durch die Satelliten ermittelten Position kann der

Fehler durch Störungen in einem gewissen Mass ermittelt werden und daraus Korrekturda-

ten berechnet werden. Diese Daten werden an den Rover gesendet der seinerseits seine

ermittelte Position mit diesen Daten korrigiert und somit zu einem genaueren Ergebnis

kommt.

Der Unterschied zwischen dem DGPS- und RTK-System ist die Art wie die Empfänger

ihre Position bestimmen. Beim DGPS werden rein die Nutzdaten, welche von den Satelli-

ten gesendet werden, verwendet. RTK hingegen wertet auch das Trägersignal der Satelliten

aus. Der OEMV-1-Empfänger hat eine HF-Stufe für die L1-Frequenz (1575.42MHz, Wel-

lenlänge ca. 19 cm). Durch die Auswertung der Phase des Trägers ist eine Genauigkeit im

Zentimeterbereich möglich.

Um mit dem DGPS- oder RTK-Modus mit hinreichender Genauigkeit und Zuverlässigkeit

zu arbeiten, müssen noch folgende Bedingungen erfüllt sein: Die Datenübertragung von

der Basisstation zum Rover darf eine gewisse Latenzzeit nicht überschreiten, je „älter“ die

Korrekturdaten sind, umso schlechter wird die Genauigkeit. Beide Empfänger müssen eine

hinreichende Anzahl derselben Satelliten sehen (die Korrekturdaten werden für jeden Sa-

tellit berechnet und übertragen) und der Abstand zwischen Rover und Basisstation darf

nicht zu groß werden.

Neben der Basisstation zur Ermittlung der Korrekturdaten gibt es auch nationale und inter-

nationale Betreiber von Referenzbasisstationen, welche Korrekturdaten via dem Internet

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oder Rundfunksender zur Verfügung stellen (Österreich APOS). Es gibt auch satellitenge-

stützte Systeme (SBAS, Satellite Based Augmentation System) die Korrekturdaten aussen-

den und somit zu einer Erhöhung der Genauigkeit führen.

CAN-Bus 3.2

Der CAN-Bus [3,4] wurde von der Firma Bosch entwickelt und im Jahr 1986 offiziell prä-

sentiert. Dieser Bus zählt zu den Feldbussen und wird in der Automobilbranche zur Ver-

netzung elektronischer Systeme innerhalb des Fahrzeuges verwendet. Von der ISO wurde

das Protokoll 1993 standardisiert und in der Norm ISO 11898 [15,16,17] festgehalten. Da-

bei wird zwischen zwei Varianten unterschieden: Den Highspeed-CAN mit einer maxima-

len Datenrate von 1 Mbit und einem Lowspeed-CAN mit maximal 125 kbit. Eingesetzt

wird der Highspeed-CAN-Bus meist im Motorbereich wie ABS, Airbag und Motorsteue-

rung. Der Lowspeed-CAN-Bus findet Verwendung im Komfortbereich, zur Steuerung von

Klimageräten, Zentralverriegelungen usw. Topologisch findet meist die Linienstruktur

Einsatz. In Abbildung 3.4 ist eine typische Konfiguration dargestellt.

Abbildung 3.4: Typische CAN-Bus Topologie

Wie aus dieser Abbildung ersichtlich handelt es sich um eine Multi-Master-Konfiguration.

Es können also mehrere Einheiten zur selben Zeit auf den Bus zugreifen. Um diesen Mehr-

fachzugriff zu verwalten und einen Verlust an Daten durch Kollision zu vermeiden wird

das CSMA/CA-Verfahren zur Arbitrierung (Zuteilung der Zugriffsberechtigung) des Bus-

ses verwendet. Die eigentliche Datenübertragung erfolgt in Datenrahmen.

Physikalisch gesehen ist es eine serielle Binärdatenübertragung auf einer verdrillten Zwei-

drahtleitung mit einem definierten Wellenwiderstand von 120 Ohm. Die Information wird

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als differenzielles Signal übertragen (Abbildung 3.5), wodurch der Bus sehr unempfindlich

gegenüber Gleichtaktstörungen ist. Die logische Null entspricht dem dominanten, die lo-

gisch Eins dem rezessiven Signalpegel am Bus.

Pegel [V]

1.5

2.5

3.5

CANL

CANH

Rezessiver Pegel,Logisch 1

Dominanter Pegel,Logisch 0

Rezessiver Pegel,Logisch 1

Abbildung 3.5: CAN-Bus Spannungspegel

Die Datenübertragung erfolgt in Paketen, sogenannten Daten-Frames. Jedes Paket besitzt

einen Identifier mit dem alle anderen Konten am Bus entscheiden können, ob diese Daten

für sie bestimmt sind. Es sind zwei Daten-Frames definiert, die sich in der Länge des

Identifiers unterscheiden: 11 Bit (CAN 2.0A) und 29 Bit (CAN 2.0B). Pro Daten-Frame

können bis zu 64 Bit Nutzdaten übertragen werden.

Gerade bei elektronischen Systemen in Fahrzeugen sind die Anforderungen an die Daten-

integrität sehr hoch. Dementsprechend besitzt der CAN-Bus eine Reihe von Features um

eine fehlerhafte Datenübertragung zu erkennen und darauf zu reagieren. Die eigentliche

Datenübertragung wird durch folgende Maßnahmen überwacht:

• Kontrolle des gesendeten Buspegels. Stimmt der gesendete Pegel nicht mit dem

empfangenen Pegel überein liegt ein Fehler vor.

• Data-Frame-Check, die Länge und der Aufbau eines Paketes werden überprüft.

• CRC-Check, jeder Daten-Frame ist mit einer 15Bit Prüfsumme versehen.

• ACK-Check, mindestens ein Knoten am Bus muss den Empfang des Daten-Frames

quittieren.

• Bit Stuffing-Check, zur Synchronisation wird nach 5 gleichwertigen Bits ein Stuff-

Bit hinzugefügt (mit invertiertem Pegel).

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WWAN-Modul 3.3

Als WWAN-Modul wird das Modem UC864-E [7,8,9] der Firma Telit [NET2] verwendet.

Die Datenübertragung erfolgt über das Mobilfunknetz [1,2], wodurch ein flexibler Einsatz

gewährleistet ist. Das Modem beinhaltet alle Komponenten die für eine Kommunikation

mit einem Server im Internet benötigt werden. So ist ein kompletter TCP/IP-Stack inte-

griert der die Protokolle TCP, UDP, SMTP (Email) und FTP beherrscht. Elektrisch kann

über eine serielle Schnittstelle oder einen USB-Port mit dem Modem kommuniziert wer-

den.

Abbildung 3.6: UC864-E Modem der Firma Telit

Bei der Telemetrie wird über die serielle Schnittstelle kommuniziert. Gesteuert wird das

Modem mittels AT-Befehlen (ursprünglich von der Firma Hayes Communications entwi-

ckelt). Dies sind einfache ASCII-Kommandos. Durch die „Enhanced Easy GPRS Extensi-

on AT Commands“ (Telit spezifische Kommandos) werden ein Verbindungsaufbau und

eine Kommunikation mit dem Server via TCP besonders unterstützt. Nachdem man die

Verbindung konfiguriert hat (APN, Username, Password, IP und Port) öffnet man die Ver-

bindung und kann Daten ohne weitere Befehle an den Server senden oder empfangen. Das

Modem erscheint dem Controller gegenüber transparent und die Kommunikation mit dem

Server beschränkt sich auf das Schreiben und Lesen von der Schnittstelle.

Das UC864-E beherrscht unter anderem die in Tabelle 3.2 angegebenen Mobilfunkstan-

dards für die Datenübertragung im Europäischen Raum. Die Übertragungsraten sind die

maximal zu erreichenden Werte. In der Praxis hängt der tatsächliche Wert stark von der

Netzqualität und der Auslastung des Netzes ab.

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Standard Datenrate (Upload/Download) Frequenz

HSDPA 384 kbps / 7.2 Mbps 2100 MHz

UMTS/WCDMA 384 kbps / 384 kbps 2100 MHz

EDGE 236.8 kbps / 236.8 kbps 850/9001800/1900 MHz

GPRS 85.6 kbps / 85.6 kbps 850/9001800/1900 MHz

Tabelle 3.2: UC864-E Datenraten und Frequenzen

GSM

Die Datenübertragung im GSM-Netz erfolgt als Kombination aus Zeit- und Frequenz-

multiplexing (TDMA, FDMA). Für den Uplink und den Downlink gibt es zwei getrennte

Frequenzbänder. Dabei wird die Frequenzachse des jeweiligen Bandes in 200 kHz Kanäle

unterteilt und in jedem dieser Kanäle werden acht Subkanäle (GSM-Zeitschlitze) zeitver-

setzt übertragen. Als Modulationsverfahren wird das GMSK-Verfahren eingesetzt.

GPRS - General Packet Radio Service

GPRS baut auf GSM auf. Dabei werden mehrere GSM-Zeitschlitze gebündelt, um einen

höheren Datendurchsatz zu erzielen.

EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution

Bei EDGE wird statt der GSMK-Modulation das 8-PSK-Verfahren eingesetzt. Dadurch

wird eine Erhöhung der Datenübertragungsrate pro Zeitschlitz erreicht (3 Bit/Symbol an-

statt 1 Bit/Symbol).

UMTS – Universal Mobile Telecommunication System

Die Datenübertragung bei UMTS basiert auf CDMA, einem Codespreizverfahren bei dem

das Nutzsignal über die volle zur Verfügung stehende Bandbreite (5 MHz) eines Kanales

verteilt wird. Dieses Frequenzfenster wird dabei von mehreren Einheiten gleichzeitig ver-

wendet. Moduliert wird das Signal mittels QPSK. Beim WCDMA wird der Uplink (UL)

und Downlink (DL) auf zwei verschiedene Frequenzbänder aufgeteilt (FDD, Frequency

Division Duplex). Zusätzlich erfolgt die Datenübertragung in Rahmen von 10 ms Länge.

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HSDPA – High Speed Downlink Packet Access

Bei HSDPA handelt es sich um eine technische Weiterentwicklung von UMTS, die sich

aber nur auf den Downlink bezieht. So wurde die Paketverwaltung optimiert. Weiters wer-

den mehrere und neue Kanäle zur Datenübertragung verwendet und durch ein zusätzliches

Modulationsverfahren (16 QAM) können 4 Bits/Symbol statt 2 Bit/Symbol übertragen

werden.

Spannungsversorgung:

Spannungsversorgung: 3.4 Volt bis 4.2 Volt, Nominal 3.8 Volt

Stromaufnahme: Off: < 26 uA

Idle (GSM): <3.3 mA

Idle (UMTS): <4.1 mA

WCDMA (Data): <680 mA

HSDPA (Data): <730 mA

GPRS (Class 12): <790 mA

Bei der Datenübertragung mittels GSM, GPRS und EDGE sei darauf hingewiesen, dass für

das Senden in Abständen von 4.615 ms ein Strom bis zu 2 Ampere benötigt wird. Die Län-

ge der Strompulse richtet sich nach der Anzahl der eingestellten GSM-Zeitschlitzen

(577 us/Slot). Dies ist beim Design der Spannungsversorgung für das Modem zu berück-

sichtigen.

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Kapitel 4

Entwicklung und Realisierung

Die Entwicklung und Realisierung beinhalten den Bau der Hardware und die Programmie-

rung der Firmware für den Controller. Neben diesen Hauptaufgaben musste noch je eine

Software für die Konfiguration der Einheit und für das einspielen einer neuen Firmware

geschrieben werden.

Hardware 4.1

Herzstück des Systems bildet der LPC2387 [5,6] Mikrocontroller der Firma NXP. Es han-

delt sich dabei um einen 32 Bit General Purpose Controller mit ARM7-Kern. Dieser Chip

bietet genügend Rechenleistung und Speicher für die Anwendung.

Eckdaten des Mikrocontrollers:

• ARM7TDMI-S Kern mit einer Taktfrequenz bis zu 72 MHz

• 512 kByte Flash und 96 kByte SRAM

• 4x UART, 1x SPI, 2x SSP, 3x I2C, 1xI2S

• Ethernet Interface

• USB Device/Host/OTG 2.0 Full-Speed Interface

• CAN-Controller mit zwei Kanälen

• SD/MMC Interface

• 10 Bit ADC/DAC

• 4x 32 Bit Timer, PWM Unit, Watchdog Timer, Real-Time-Clock

Die Interfaces des Controllers wurden, wie in Abbildung 4.1 dargestellt, mit der restlichen

Hardware verbunden. Drei Kanäle des ADC-Konverters sowie ein SSP-Interface

(Synchronous Serial Port) sind auf Stecker innerhalb des Gehäuses ausgeführt, um eine

Erweiterung zu ermöglichen. Der GPS-Empfänger wird mit den RX- und TX-Leitungen

der UART2 und UART3 verbunden, da er kein Hardware-Handshakingn unterstützt.

UART2 dient als Datenschnittstelle und UART3 wird für die Konfiguration verwendet.

Diplomarbeit

Seite 24

Das Modem und der Controller kommunizieren über die voll ausgeführte UART1. Durch

die Verwendung aller Signalleitungen zum Modem sind ein Hardware-Handshaking sowie

eine Abfrage des Verbindungszustandes zum Server ohne Softwarebefehle möglich. Ein

Upgrade der Firmware ist durch den im Controller integrierten Bootloader über UART0

möglich. Deshalb war es zweckmäßig, dieses Interface nach außen zu führen. Mit den

Speicherelementen und den Status-Leds wird mit der SSP0- bzw. dem I2C0-Interface

kommuniziert.

Abbildung 4.1: Blockschaltbild der Hardware

Um die gesamte Hardware in das gewählte Gehäuse einbauen zu können, mussten die

Komponenten aufgeteilt werden. Der GPS-Empfänger mit den Status-Leds sowie das Mo-

dem wurden je auf einer eigenen Platine untergebracht, die auf der Basisplatine aufgesteckt

werden. Durch diese konstruktive Maßnahme ist es in der Zukunft ebenfalls ein leichtes,

einen Wechsel von Modem oder GPS-Empfänger durchzuführen. Abbildung 4.2 zeigt die

Basisplatine mit aufgesteckter Modem- und GPS-Platine.

Diplomarbeit

Seite 25

Abbildung 4.2: Basisplatine mit WWAN- und GPS-Platine

Spannungsversorgung 4.1.1

Für die Versorgung der einzelnen Komponenten müssen unterschiedliche Spannungen

bereitgestellt werden. Das System ist für eine nominelle Bordspannung von 12 Volt ausge-

legt. Um diese Spannung auf die benötigten Werte ohne große Verluste herabzusetzen,

wurden DC/DC-Konverter eingesetzt. Am Eingang befindet sich eine Schutzschaltung,

welche die Elektronik vor Überspannungen (z.B. Loaddump) schützt. Diese Schaltung

begrenzt die maximale Stromaufnahme im Falle eines Fehlers im Gerät und den Einschalt-

stromstoß, verursacht durch das Laden der leeren Stützkondensatoren.

In Tabelle 4.1 sind die verschiedenen Versorgungsspannungen für die einzelnen Verbrau-

cher innerhalb des Gerätes aufgelistet.

Spannung Max. Strom Verbraucher

3.3 V 1 A GPS, Basisplatine

3.8 V 2 A Modem

6 V 100 mA GPS Antenne

Tabelle 4.1: Versorgungsspannung und Stromaufnahme der Komponenten

Abbildung 4.3 zeigt das Blockschaltbild der Spannungsversorgung.

Diplomarbeit

Seite 26

Abbildung 4.3: Konzept der Spannungsversorgung

Die DC/DC-Konverter 1 und 2 wurden mittels zweier Module der Firma RECOM reali-

siert, die eine kompakte Bauweise und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Der DC/DC-

Konverter 3, welcher die Spannung für das Modem bereitstellt, wurde mittels des Bau-

steins LT1765 diskret realisiert. Durch die hohe Schaltfrequenz von 1,25 MHz reagiert der

Schaltregler sehr schnell auf die hohen Stromimpulse, die das Modem bei einer GSM- oder

GPRS-Datenübertragung benötigt.

Überspannungsschutz und Strombegrenzung 4.1.2

Abbildung 4.4: Schaltung für Überspannungsschutz und Strombegrenzung

Abbildung 4.4 zeigt die Schutzschaltung für die Spannungsversorgung. Am Eingang be-

findet sich ein Varistor (R22), welcher als Grobschutz fungiert. Dieser ist nominal für 12

Volt ausgelegt und begrenzt die Spannung auf maximal 43 Volt (@I=5 A). C3, C4 und L1

bilden einen Filter.

EN

AB

LE

+V_SYSTEM

+ C1330u/35V

+ C2330u/35V

C3100n/63V

C4100n/63V

C25100n/63V

C45

D1

MBRS360

D88V2

GND GND GND GNDGND GND GND GNDGND GNDGND GNDGND

#FLT7

#SHDN6

EN8

FB1

GA

TE

3

GN

D9

OU

T2

SN

S4

TM

R10

VC

C5

IC9LT4356HMS-1

L1

WE742792514

R12

0R02

R1610R

R1882k

R194k99

V R22S10K14

R584k7

R7710k

R7822k

T1IRLR3705Z

X11-1

POWER

X11-2X11-3X11-4

Diplomarbeit

Seite 27

Danach folgt mit LT4356 (IC9) [12] ein integrierter Schutzbaustein der Firma Linear

Technology, der die Spannung auf 20 Volt begrenzt und einen Überstromschutz bildet. Im

normalen Betriebszustand ist der N-Channel MOSFET (T1) vollständig leitend. Über-

schreitet die Spannung am Ausgang (+V_SYSTEM) einen Schwellwert, begrenzt der

Schutzbaustein diese durch Ansteuerung des Gates von T1. Gleichzeitig startet ein Timer.

Wenn nach Ablauf des Timers die Überspannung immer noch anliegt, wird der MOSFET

abgeschaltet um seine thermische Überlastung zu verhindern. Der Schwellwert der Span-

nung wird mit R18 und R19 eingestellt.

Mit R12 wird die Stromaufnahme gemessen. Überschreitet der Spannungsabfall an R12

50 mV, beginnt der Baustein ebenfalls durch Ansteuerung des Gates von T1 den Strom zu

begrenzen. Wie bei Überspannung wird auch bei Überstrom der Transistor T1 nach einer

gewissen Zeit abgeschaltet, wenn der Fehlerzustand nicht verlassen wird.

Die Telemetrie kann durch den Shutdown-Pin (Pin6, #SHDN) des LT4356 ein- oder aus-

geschaltet werden. Der Pin wird durch R77, R87 und D8 geschützt.

Das Verhalten der Schaltung wurde mit einem Load Dump-Generator getestet. In Abbil-

dung 4.5 sieht man die Eingangsspannung des Systems ohne Schutzschaltung. Der Bord-

spannung von 12 Volt ist ein Load Dump-Impuls mit einer Spitze von 82 Volt überlagert.

Abbildung 4.5: Eingangsspannung mit Überspannung ohne Schutzschaltung

Abbildung 4.6 zeigt den Spannungsverlauf mit Schutzschaltung. Die Eingangsspannung

der Schaltung wird durch den Varistor auf ca. 38 Volt begrenzt (gelber Verlauf). An den

DC/DC-Konvertern wird eine maximale Spannung von 20 Volt gemessen. Dies entspricht

dem eingestellten Wert für den Schutzbaustein IC9. Der Timer für den thermischen Schutz

ist so eingestellt, dass es zu keiner Abschaltung des Systems kommt. In Abbildung 4.7

Diplomarbeit

Seite 28

wurde die Zeit des Timers verkürzt, um den Spannungsverlauf an den DC/DC-Konvertern

bei einer Abschaltung zu zeigen.

Abbildung 4.6: Eingangsspannung mit Überspannung und Schutzschaltung

Abbildung 4.7: Abschaltung der internen Spannungsversorgung

Man erkennt, dass es nach ca. 60 ms zu einer Abschaltung des Transistors T1 kommt, um

diesen thermisch nicht zu überlasten. Nach einer Abkühlperiode von ca. 450 ms wird der

Transistor wieder eingeschaltet. Wie anfangs erläutert, realisiert der Baustein IC9 auch

eine Strombegrenzung mit Abschaltung. In den Abbildungen 4.8 und 4.9 sind die Strom-

und Spannungsverläufe für das Laden der Kapazitäten am Eingang der DC/DC-Konverter

dargestellt. Abbildung 4.8 zeigt die Verläufe ohne Strombegrenzung. Die maximale

Diplomarbeit

Stromaufnahme beträgt ca. 18

zeigt sich der Verlauf wie in Abbildung

3,8 ms aufgeladen sein (Q=C*U=I*t)

Abbildung 4.8

Stromaufnahme beträgt ca. 18 Ampere. Mit Strombegrenzung (eingestellt auf 2

zeigt sich der Verlauf wie in Abbildung 4.9. Die Eingangskondensatoren sollten nach ca

ms aufgeladen sein (Q=C*U=I*t), was durch die Messung bestätigt

Abbildung 4.8: Einschaltstromstoß ohne Strombegrenzung

Abbildung 4.9: Einschaltstromstoß mit Strombegrenzung

Seite 29

(eingestellt auf 2 Ampere)

. Die Eingangskondensatoren sollten nach ca.

was durch die Messung bestätigt wird.

Diplomarbeit

Seite 30

RS232-Interface 4.1.3

Die RS232-Schnittstelle dient zur Konfiguration der Einheit, zur lokalen Ausgabe der

Messwerte in Echtzeit, zum Update der Firmware und zur Ausgabe von Informationen

während der Entwicklung der Firmware.

Die Einheit kennt drei Betriebsarten. Den Konfigurationsmodus, den Upgrade-Modus und

den normalen Betriebsmodus, in dem die Einheit Daten sammelt und an den Server sendet.

Ausgewählt wird der aktuelle Betriebsmodus mittels eines Hilfscontrollers der sich auf der

Hauptplatine befindet (IC3, Abbildung 4.10). Dieser Controller überwacht die Kommuni-

kation zwischen Hauptcontroller und Computer und bringt die Einheit in die gewünschte

Betriebsart, wenn das entsprechende Kommando erkannt wurde.

Tabelle 4.2 listet die definierten Kommandos auf.

Befehl Beschreibung

_RESET_ Startet die Einheit neu (Führt einen Reset am Hauptcontroller durch).

_UPGRADE_ Startet den integrierten Bootloader im Hauptcontroller.

_CONFIG_ Startet die Einheit neu und setzt einen Pin am Hauptcontroller, um zu signalisie-

ren, dass der Konfigurationsmodus gestartet werden soll.

Tabelle 4.2: Kommandos des Hilfs-Mikrocontrollers

Nach Anlegen der Betriebsspannung startet der Hauptcontroller im normalen Betriebsmo-

dus. Der Hilfscontroller überwacht die PC_TX-Leitung und schaltet die PC_RX-Leitung

mit Hilfe von IC11 zum Hauptcontroller durch. Erkennt der Hilfscontroller ein Komman-

do, schaltet er die PC_RX-Leitung auf seine TX-Leitung und sendet eine Bestätigung, dass

er den Befehl erkannt hat. Danach schaltet der Hilfscontroller die PC_RX-Leitung wieder

zum Hauptcontroller und führt den Befehl aus. Damit der Hilfscontroller nicht unbeabsich-

tigt einen Befehl erkennt und ausführt, welcher zur normalen Kommunikation zwischen

Computer und Hauptcontroller gehört, müssen die Befehle für den Hilfscontroller mit

9600 Baud gesendet werden. Die Baudrate zwischen Computer und Hauptcontroller ist fest

mit 115200 Baud eingestellt. Zusätzlich muss die PC_RTS-Leitung auf logisch Low lie-

Diplomarbeit

Seite 31

gen, damit der Hilfscontroller den Befehl akzeptiert.

Abbildung 4.10: Schaltung des RS232-Interfaces

Elektrisch wird eine serielle Schnittstelle nach EIA232-Standard zur Verfügung gestellt.

Dies erfolgt mit den Schnittstellenwandler SN753232, der die TTL-Pegel in die entspre-

chenden Spannungspegel umsetzt.

CONFIGGP

ISPPC_RXDPC_TXD

RESET

+3V3

+3V3

+3V3 +3V3 +3V3

+3V3

+3V3

C34

100n

+ C37

10u

C38

100n

C48

100n

C641u

C651u

C661u

C671u

C68100n

GND

GND

GND

GND

GN

D

(AIN0/PCI0)PB012(AIN1/PCI1)PB113

(CKOUT/XCK/INT0)PD26

(ICP)PD611

(INT1)PD37

(MISO/DO/PCI6)PB618

(MOSI/DI/SDA/PCI5)PB517

(OC0A/PCI2)PB214

(OC0B/T1)PD59

(OC1A/PCI3)PB315(OC1B/PCI4)PB416

(RXD)PD02

(SCK/UCSK/PCI7)PB719

(T0)PD48

(TXD)PD13

GND10

RESET/DW/PA21

VCC20

XTAL1(PA0)5

XTAL2(PA1)4

IC3ATTINY2313V-10S

C1+ 1

C1- 3

C2+ 4

C2- 5GND

15

R1IN13 R1OUT 12

R2IN8 R2OUT 9

T1IN 11T1OUT

14

T2IN 10T2OUT

7

V+2

V-6

VCC16

IC10SN75C3232EDR

TTLRS232

A3

B1

C6

GND2

VCC5

Y4

IC11SN74AUP1G97_TSOP-6

/RESET2

GND 1

VCC 3

IC15MAX809

SGNDSGNDSGNDSGNDSGND

Q8BSS138

R533

VR6

V14

MLA

0805

R31

330

R6310k

R64 220R65 220

R69 220R70 220R71 220R72 220

R8010k

R8110k

R82 220R83 220

R84

100k

R852k2

R86 220R87 220

VR111

V14

MLA

0805

VR112

V14

MLA

0805

VR113

V14

MLA

0805

R11933R12033R12133

X5-1MO

LEX

-LP

-5-0

X5-2

X5-3

X5-4

X5-5

X12-1

MO

LEX

-LP

-3-0

X12-2X12-3

PC_RXPC_CTS

PC_TXPC_RTS

Diplomarbeit

Seite 32

CAN-Interface 4.1.4

Da der Mikroprozessor bereits über einen eingebauten CAN-Controller verfügt, besteht die

Schaltung für das CAN-Interface lediglich aus einem CAN-Treiber mit entsprechender

Beschaltung.

Abbildung 4.11: Schaltung des CAN-Interfaces

Am Eingang befinden sich zwei Varistoren (R44, R45), welche die Schaltung vor Über-

spannungen schützen. R59, R60 und C51 bilden eine Split- Terminierung für Stub-Nodes.

Durch die Split-Terminierung wird eine bessere Störfestigkeit erzielt. Wird die Einheit an

den Anfang oder das Ende des CAN-Busses angeschlossen, kann mit Jumper 2 ein

130 Ohm Widerstand hinzu geschaltet werden, wodurch sich ein Abschlusswiderstand von

122 Ohm ergibt. Die Gleichtaktdrossel L3 dient zur Unterdrückung von Gleichtaktstörun-

gen. In Verbindung mit den Kondensatoren an der Drossel entstehen LC-Filter zur weite-

ren Unterdrückung von HF-Störungen.

Eingänge und Ausgäng 4.1.5

Zur Erfassung externer digitaler Zustände, zum Ansteuern einer Signallampe oder eines

Relais stehen zwei Eingänge (Abbildung 4.12) und ein Ausgang (Abbildung 4.14) zur Ver-

fügung. Die Eingänge bestehen aus Schmitt-Trigger-Puffer mit entsprechender Beschal-

tung zum Schutz vor Überspannung und zur Filterung von HF-Störungen. R46, R47 und

C16 bilden einen Tiefpassfilter zur Unterdrückung von HF-Signalen. Die Grenzfrequenz

dieses Filters liegt bei 280 Hz. Die Zenerdiode D12 dient zur Begrenzung der Spannung

am Eingang des Logikgatters. Der Widerstand R75 limitiert den Strom in den Eingang.

R46, R47 und R48 bilden einen Spannungsteiler, um das Spannungsniveau anzupassen.

CAN_RS

CAN_RXCAN_TX

+3V3

C35

10p

C36

10p

C39

1u

C49

10p

C50

10p

C51

100n

GNDGNDGND GND GND

CANH7CANL6

GND2 REF5

RS8

RXD4TXD1VCC3

IC6SN65HVD23X

J2

1 2

3 4

L347u

SGNDSGNDSGND SGNDSGND SGND

R39 220R40 220

R41 220

R421k

R43130

V R44

V14

MLA

0805

V R45

V14

MLA

0805

R591k

R601k

R61

10k

X3-1

X3-2X3-3

Diplomarbeit

Seite 33

Abbildung 4.12: Schaltung einer Eingangsstufe

Durch den Schmitt-Trigger-Puffer besitzt der Eingang eine Schalthysterese, es ergibt sich

folgender Verlauf (Abbildung 4.13):

Vout [V]

1

2

3

Vin [V]

4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

3.3

8.12.3

Low High

Abbildung 4.13: Schalthysterese einer Eingangsstufe

Die Stromaufnahme bei 12 Volt beträgt ca. 1.67 mA. Die maximale Spannung an einem

Eingang darf 40 Volt nicht überschreiten. Der Eingangswiderstand ist dabei immer größer

6 kOhm.

Der digitale Ausgang wird durch einen High-Side-Switch ITS4140N [13] der Firma infi-

neon realisiert. Mit diesem Baustein kann ein maximaler Strom vom 200 mA geschaltet

werden. Schutzmaßnahmen gegen Überspannung, Kurzschluss, Verpolung und thermische

Überlastung sind im Halbleiter integriert. Die externe Beschaltung reduziert sich dadurch

EX1

+3V3

C16100n

C22100nD12

3V0

GNDGNDGND GND GND

3

2 4

5

VCC

GND IC8SN74AUP1G17DBV

SGND SGND

R46

4k7

R47

1k

R484k7

R49 220

V R62dnp

R75

1kX8-1

MOLEX-LP-2-0

X8-2

Diplomarbeit

Seite 34

auf einen HF-Filter in der Versorgung und einen Steuertransistor zum Schalten des Aus-

ganges.

Abbildung 4.14: Schaltung des Ausganges

Konfigurationsspeicher 4.1.6

Um Einstellungen auf der Einheit permanent zu speichern wurden mehrere Speicherbau-

steine auf der Basisplatine integriert. Die grundlegenden Einstellungen werden in zwei

Speicherbausteinen der Firma RAMTRON abgespeichert. Es handelt sich dabei um F-

RAM-Speicher (Ferroelectric Random Access Memory), die sich durch sehr hohe Schreib-

zyklen (1012) auszeichnen. Die Speichergröße beträgt je 8 kByte. Eine eindeutige ID mit

welcher sich die Einheit beim Server anmeldet wird in einem Temperatursensor mit zusätz-

lichen 256 Byte Speicher hinterlegt und kann durch die Firmware und die Konfigurations-

software nicht geändert werden. 4 MByte in Form eines FLASH-Speichers stehen zur all-

gemeinen Verwendung zur Verfügung.

Speicherkarten-Interface 4.1.7

Um die gesammelten Daten abzuspeichern ist ein SD-Card-Interface auf der Basisplatine

vorhanden. Für die Anbindung der Karte an den Controller sieht die SD-Card-

Spezifikation zwei Schnittstellen vor. Zum einen den SD-Bus, ein schneller 4 Bit Bus mit

dem die volle Bandbreite der Karte ausgeschöpft werden kann, zum anderen ein SPI-

Interface. Die Wahl fiel auf das SPI-Interface, da für die Verwendung des SD-Busses Li-

OUTPUT

+V_EX

C52

100n

C53

100n

GND

GND

GNDGND

L13

WE742792041

1

OUT3

2 4

VBB

IN

Q4ITS4140N

Q5BSS138

R73

100k

X13-1

MOLEX-LP-2-0

X13-2

Diplomarbeit

Seite 35

zenzgebühren zu zahlen sind. Unterstützt werden von der Firmware SD- und SDHC-

Karten.

Abbildung 4.15: Schaltung für die Speicherkarte

Die Hardwareausführung (Abbildung 4.15) sieht ESD-Schutzvaristoren (R33, R93-R96

und R98) an allen Leitungen zum SD-Kartensockel vor. Damit die Karte bei eingeschalte-

tem System gewechselt werden kann ist der Taster S2 vorgesehen. Durch Betätigung des

Tasters wird veranlasst, dass die Firmware die Datenaufzeichnung auf der Karte beendet

und die Spannungsversorgung abschaltet. Die Karte benötigt eine Spannungsversorgung

im Bereich von 2,7 Volt bis 3,6 Volt. Das Schalten der Versorgungsspannung erfolgt mit

Q1 und Q6. Nach Q6 folgt mit L4 und C30 bis C32 ein Filter. C32 dient zusätzlich als

Stützkondensator, da die Stromaufnahme mitunter bis zu 200 mA betragen kann. D2 dient

zur Betriebsanzeige der Versorgungsspannung. Diese Anzeige wurde für die

Firmwareentwicklung benötigt und ist von außen nicht sichtbar. Sollte die Initialisierung

der Karte fehlschlagen, wird die Spannungsversorgung deaktiviert und wieder aktiviert.

Der Treiberbaustein 74ALVC125 (IC12) dient als Puffer zwischen Mikrocontroller und

Speicherkarte.

SD_CD

SD_CS

SD

_EJE

CT

SD

_PW

R

SPI_CLK

SPI_MISO

SPI_MOSI

+3V3+3V3

+3V3

+3V3

C26

100n

C27

100n

C30

100n

C31

100n

+ C32

100u

C43100n

D2green

GND

GND GND GNDGNDGND

GND

GNDGND

GNDGNDGND

1/OE1

1A21Y3

2/OE4

2A52Y6

3/OE10

3A93Y8

4/OE13

4A124Y11

714

VCC

GND

IC12

SN

74A

LVC

125

3

2 4

5

VCC

GND

IC13SN74AUP1G17DBV

L4

CD CD

CD/DAT3 1

CLK 5CMD 2

COM COM

DAT0 7

DAT1 8

DAT2 9

SHD M1

SHD M2

SHD M3

SHD M4

VDD 4

VSS 3

VSS 6

LOCK

San

Dis

k

M3KYOCERA_MINI_SHIELD

SGND

SGND

SGND SGND

SGND

Q1BSS138

Q6IRLML6402

R810k

R17

10k

R2820k

R291k

R30

100k

V

R33

V3.

5MLA

0805

R3422k

R35 220R36 220R37 220

R38 220

R55

220

R56 1k

R66800

R91

0

R9210kV

R93

V3.

5MLA

0805 V

R94

V3.

5MLA

0805 V

R95

V3.

5MLA

0805 V

R96

V3.

5MLA

0805

R97 220

V

R98

V3.

5MLA

0805

R10410k

12

SH

D3

SH

D4

S2

31-X

X_S

HIE

LD

Diplomarbeit

Seite 36

WWAN-Modul 4.1.8

Das Modem befindet sich auf einer eigenen Platine und wird auf die Hauptplatine aufge-

steckt. In Abbildung 4.16 sind die Schaltungen für die Spannungsversorgungen des Mo-

dems dargestellt. Zum Betrieb des Modems wird eine Betriebsspannung im Bereich von

3,4 bis 4,2 Volt benötigt. Diese wird durch den Abwärtswandler IC9 mit entsprechender

Beschaltung aus 6 Volt, kommend von der Hauptplatine, erzeugt. Nach dem Schaltregler

kommt ein Filter mit C29, C36 und L6. Die Kondensatoren C29 und C36 dienen zusätzlich

als Energiespeicher für die hohen Strompulse (bis zu 2 Ampere), die beim Senden im

GSM- oder GPRS-Netz benötigt werden.

Abbildung 4.16: Spannungsversorgung für das Modem

Das Interface der seriellen Schnittstelle des Modems ist in CMOS-Technik ausgeführt mit

einer nominellen Spannung von 2,6 Volt. Für die Anpassung an die Pegel des Controllers

(3,3 Volt) wird der Puffer IC2 (SN74LVC3G3) und IC1 (SN74LV07A) verwendet (Abbil-

dung 4.17 Mitte). IC2 liefert als High-Ausgangspegel die Versorgungsspannung von

+2V6+3V3

+3V7+V_EX

C5100n

C6100n

+ C710u

+ C2010u

C2322u

C24220n

C252n2

C26

22u

C27100n

C28100n

+ C29470u

+ C36470u

C39100n

C40100n

D7

TMMBAT46

D8

MB

RS

240

GND

GND GNDGNDGND GND GNDGND GNDGND GNDGND GNDGND GND

EN3FB

4

2

IN1OUT

5

GND

IC6TPS76301

/SHDN5

1

FB6

48 7

VIN2VSW

3BOOST

SYNC GND VC

IC9LT1765ES8

L5

3u3

L6

3u3

R4947k

R5033k

R5822k

R5910k

R60180

Diplomarbeit

Seite 37

2,6 Volt. Die Eingänge sind 5Volt tolerant. IC1 wird ebenfalls mit 2,6 Volt versorgt. Die

Ausgänge sind bei diesem Baustein als Open Drain ausgeführt und werden mit den Wider-

ständen R14, R15, R30, R31, R41 und R42 auf 3,3 Volt Ausgangsspannung eingestellt.

Der Linearregler TPS76301 (IC6, Abbildung 4.16 oben) erzeugt die 2,6 Volt Versorgungs-

spannung für IC1 und IC2 aus der 3,3 Volt Spannung von der Hauptplatine.

Das USB-Interface dient zum Update der Firmware des Modems und wird nicht nach au-

ßen geführt. Die äußere Beschaltung des USB-Interfaces dient zur Unterdrückung von

ESD und Störspannungen.

Abbildung 4.17: Schaltung für das Modem

MDM_CTS

MDM_DCD

MDM_DSR

MDM_DTR

MDM_ON

MDM_PWR

MDM_RESET

MDM_RING

MDM_RTS

MDM_RXD

MDM_TXD

SIMCLKSIMINSIMIOSIMRSTSIMVCC

USB_D+

USB_D+

USB_D-

USB_D-

USB_ID

USB_ID

USB_VBUS

USB_VBUS

+3V7

+3V3

+3V3

+3V3

+3V3

+3V3

+3V3

+3V3

+3V3 +3V3C4100n

+ C810u

D5yellow

D6green

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GND

GN

D

GND

GND

GND

GND GND

GND

1 2

IC1A

3 4

IC1B

5 6

IC1C

9 8

IC1D

11 10

IC1E

13 12

IC1FSN74LV07A_PW

17

IC2ASN74LVC3G34_DCU

35IC2B

62IC2C

3V35

D1 1

D2 3D3

4

D46

GND 2

IC8USBUF01W6

L4

WE742792041

#RESET54

ADC_IN137

ADC_IN238

ADC_IN339

AXE8

CHARGE51

CHARGE52

CTS28

DAC_OUT40

DCD32

DSR27

DTR29

EAR_HF+9

EAR_HF-10

EAR_MT+11

EAR_MT-12

GN

D5

GN

D6

GN

D7

GN

D46

MIC_HF+13

MIC_HF-14

MIC_MT+15

MIC_MT-16

ON/#OFF53

PCM_CLOCK36

PWRMON49

RING30

RTS31

RXD26

RX_TRACE23

SH

DS

HD

1

SH

DS

HD

2

SH

DS

HD

3

SH

DS

HD

4

SIMCLK22SIMIN21SIMIO20SIMRST19SIMVCC18

STAT_LED45

TGPIO_0170

TGPIO_0274

TGPIO_0366

TGPIO_0459

TGPIO_05/RFTXMON78

TGPIO_06/ALARM68

TGPIO_07/BUZZER73

TGPIO_0867

TGPIO_0976

TGPIO_10/PCM_TX63

TGPIO_1157

TGPIO_1262

TGPIO_1377

TGPIO_1460

TGPIO_1561

TGPIO_1675

TGPIO_17/PCM_SYNC71

TGPIO_18/PCM_RX65

TGPIO_1956

TGPIO_2058

TGPIO_2172

TGPIO_2264

TXD25

TX_TRACE24

USB_D+79

USB_D-80

USB_ID35USB_VBUS48

VAUX150

VB

AT

T1

VB

AT

T2

VB

AT

T3

VB

AT

T4

VR

TC

55

M2UC864

Q5BSS138

Q6BSS138

Q7BSS138

Q8BSS138

R2100k

R3100k

R4 220

R5 220

R6 220

R7 220

R8 220

R9 220

R10 220

R11 220

R12680

R13100k

R14 10k

R15 10k

R30 10k

R31 10k

R41 10k

R42 220

R43 10k

R44 10k

R47 10k

R48 10k

R53680

R54100k

V R55dna

R56dna V R57

dna

TP

4

TP5

TP6

D+

D-

GND

ID

SHIELD1SHIELD2SHIELD3SHIELD4

VBUS

X1

US

B

Diplomarbeit

Seite 38

GPS und Statuslampen 4.1.9

Der GPS-Empfänger und die Status-LEDs befinden sich, gemeinsam mit dem Modem, auf

einer eigenen Platine und werden auf die Hauptplatine aufgesteckt.

Abbildung 4.18 zeigt die Schaltung für die Status-LEDs. Angesteuert werden die einzelnen

LEDs mit dem Baustein PCF8574 [14]. Dies ist ein 8-Bit I/O-Expander mit I2C-Bus. Die

einzelnen LEDs können wahlweise in bedrahteter Form oder in SMD-Ausführung bestückt

werden. In Tabelle 4.3 ist die Bedeutung für jede LED aufgelistet.

Abbildung 4.18: Schaltung für die Statuslampen

Farbe Bedeutung

Grün Das System ist betriebsbereit.

Rot Ein Fehler ist aufgetreten.

Orange Nicht definiert.

Gelb Das Modem ist mit dem Server verbunden.

Gelb Der GPS-Empfänger hat eine gültige Position.

Tabelle 4.3: Bedeutungen der Statuslampen

Abbildung 4.19 zeigt die Schaltung für das GPS-System. Der Empfänger benötigt zwei

Versorgungsspannungen: 3,3 Volt (Pin 2 an M2) für den Betrieb des Empfänger selbst und

IIC_/INTIIC_SCLIIC_SDA

+3V3

+3V3

+3V3

C7

100n

D14 D15 D16 D17D18 D19 D20 D21 D22 D23

GND

/INT13

A01

A12

A23

GND8

P04

P15

P26

P37

P49

P510

P611

P712

SCL14

SDA15

VCC16

IC2PCF8574DW

R23 220

R24 220R25 220

R284k7

R291k

R30150

R31150

R32150

R33150

R34150

R351k

green red orange yellow yellow

Diplomarbeit

Seite 39

eine Spannung größer gleich 5,5 Volt (Pin 1 an M2) für die Versorgung von aktiven GPS-

Antennen. Beide Spannungen werden direkt von der Hauptplatine zur Verfügung gestellt.

Die Spannung für die GPS-Antenne (+V_EX) wird mit L2, C8 bis C10 gefiltert, um hoch-

frequente Störungen von der GPS-Antenne fernzuhalten. Die Grenzfrequenz liegt bei ca.

1,5 kHz. Intern regelt der GPS-Empfänger die Spannung für die Antenne auf 5 Volt.

Abbildung 4.19: Schaltung für den GPS-Empfänger

Das USB-Interface dient zur Konfiguration und Überwachung des GPS-Empfängers. Die

beiden LEDs signalisieren den Status der Positionsdaten (gültig oder nicht gültig) und den

Zeitpunkt der Positionserfassung.

GPS_EV1

GPS_PV

GPS_RESET

GPS_RX1

GPS_RX2

GPS_TM

GPS_TX1

GPS_TX2

USB_D+

USB_D+

USB_D-

USB_D-

+3V3 +3V3

+3V3

+3V3

+V_EX

+ C8100u

C9

100n

C10

100n + C11100u

C12

100n

D24green

D25yellow

D26yellow

GND

GND GND GND

GNDGND GND

GND

GND GND

GND

GN

D

GND GND

3V35

D1 1

D2 3D3

4

D46

GND 2

IC5USBUF01W6

L2

100u

/RESETIN5

CAN2_RX8

CAN2_TX20

EVENT19

EVENT2/CAN1_TX7

GND110

GND213

GND316

GND418

LNA_PWR1

PV17

RXD112

RXD215

SH

DS

1

SH

DS

2

SH

DS

3

SH

DS

4

TIMEMARK19

TXD111

TXD214

USB_D_M3

USB_D_P4

VARF/CAN1_RX6

VIN2

NO

VA

TE

L O

EM

V-1

M2

NOVATEL_OEMV-1_SHDG

Q3BSS138

Q5BSS138

Q6BSS138

R36100k

R37800

R41100k

R42800

R43100k

R44

1k4

R45 220

R46 220R47 220

R48 220R49 220

R50 220

R51 220

R5810k

R59dna

R60dna

D+

D-

GND

ID

SHIELD1SHIELD2SHIELD3SHIELD4

VBUS

X2

US

B

X5-1

MO

LEX

-LP

-3-9

0

X5-2X5-3

Diplomarbeit

Seite 40

Firmware 4.2

Die Firmware für den Mikrocontroller wurde in C mit dem RealView-Compiler, der in der

µVision-Entwicklungsumgebung von der Firma KEIL integriert ist, entwickelt. Diese

Entwicklungsumgebung bietet einen sehr guten Hardware-Simulator für den Prozessor,

wodurch eine Vielzahl an Softwarekomponenten ohne das eigentliche System getestet

werden konnte.

Um die Firmware übersichtlich und wartbar zu halten wurden mehrere Ebenen definiert,

die aufeinander aufsetzen. Dabei wurde versucht, dass jede Ebene nur von der unteren ab-

hängig ist, um ihren Einsatz so universell wie möglich zu halten.

Gliederung der Firmware 4.2.1

Abbildung 4.20 zeigt das Konzept der Firmware. In der ersten Schicht sind die Treiber für

die einzelnen Peripheriekomponenten implementiert. Diese Schicht stellt den HAL (Hard-

ware Abstraction Layer) dar. Durch die HAL verlieren die nachfolgenden Layer den direk-

ten Bezug zur Hardware. Bei einem Wechsel des Controllers müsste nur diese Schicht neu

implementiert werden. Einzige Ausnahme stellt der Tasking-Block im System-Layer dar.

Bei dieser Komponente handelt es sich um ein Real-Time-Operating-System für Mikro-

controller, dass direkt auf die Hardware (einen Timer) zugreift. Es ist im Entwicklungssys-

tem der Firma KEIL enthalten.

Abbildung 4.20: Aufteilung der Firmware

Diplomarbeit

Seite 41

Da der größte Teil des Datentransfers über die seriellen Schnittstellen und den SPI-Bus

stattfindet, wurde versucht diese Treiber besonders effizient zu implementieren. Bei beiden

Schnittstellen werden mehrstufige Hardware-FIFOs verwendet, sowohl für das Senden als

auch das Empfangen. Weiteres erfolgt die Ereignissteuerung mittels Interrupts, um keine

Rechenzeit durch das Warten auf ein Ereignis zu verlieren. Die Datenübergabe erfolgt

blockweise (einen kompletten Puffer statt der einzelnen Bytes nacheinander), um den

Overhead durch mehrfache Funktionsaufrufe zu minimieren.

Nach der Treiber-Schicht folgt die System-Schicht. In ihr enthalten sind die High-Level-

Funktionen für die Kommunikation mit den einzelnen Komponenten im System. Zum Bei-

spiel wird mit dem Modem via AT-Kommandos [9] kommuniziert. Dementsprechend

werden Funktionen bereitgestellt, die ein Kommando ausführen, auf die Antwort warten

und das ausgewertete Ergebnis zurückliefern. Für den Zugriff auf die Speicher werden

allgemeine Lese- bzw. Schreibfunktionen zur Verfügung gestellt, unabhängig vom darun-

terliegenden Speichertyp.

Der Tool-Block ist eine Ansammlung von hardwareunabhängigen Funktionen, die von der

Applikation und der System-Schicht verwendet werden.

Applikation 4.2.2

Nach dem Programmstart wird die Hardware konfiguriert, beginnend mit einer Low-Level

Initialisierung. Bei dieser wird das Taktsystem innerhalb des Controllers eingestellt, damit

der ARM-Core und alle Peripheriekomponenten mit dem richtigen Takt versorgt werden.

Weiters werden die Port-Pins entsprechend ihres Verwendungszwecks eingestellt und in

einen definierten Zustand gebracht. Sind diese Schritte abgeschlossen wird die HAL für

die Verwendung vorbereitet. Für jeden Treiber innerhalb der HAL wird eine Initialisie-

rungs-Funktion aufgerufen, welche die entsprechenden Peripheriekomponenten aktiviert,

konfiguriert und interne Speicher für die Verwendung vorbereitet.

Nach diesen Schritten erfolgt eine High-Level Initialisierung der externen Hardwarekom-

ponenten. Das Modem, der GPS-Empfänger, der CAN-Bus und eine eventuell vorhandene

Speicherkarte werden entsprechend der abgespeicherten Einstellungen konfiguriert.

Konnte die Hardware erfolgreich aktiviert werden, wird die Ablaufsteuerung aufgerufen.

Diese Steuerung besteht aus zwei Tasks, siehe Abbildung 4.21. Der DAQ-Task erfasst die

Messwerte vom CAN-Bus und dem GPS-Empfänger und leitet diese weiter an den Main-

Task. Dieser Main-Task besteht intern aus zwei getrennten Ablaufsteuerungen. Die erste

Ablaufsteuerung ist verantwortlich für die Verbindung zum Server und für die Übertra-

Diplomarbeit

Seite 42

gung der Daten zum Server. Die zweite Ablaufsteuerung übernimmt die Abspeicherung

der Daten auf die SD-Karte. Um die Daten vom DAQ-Task zum Main-Task zu transferie-

ren wird ein Zwischenspeicher in Form eines Software-FIFOs verwendet.

Abbildung 4.21: Tasks

Realisiert wurden diese beiden Task mit Hilfe des Real-Time-Operating System (RTOS)

der Firma KEIL. In einem Programm repräsentiert ein Task eine ihm zugewiesene Teilauf-

gabe. Für einen gewissen Zeitabschnitt ist es ihm möglich, diese Aufgabe auszuführen.

Nach Ablauf der Zeit oder durch ein Ereignis wird der Task unterbrochen und der nächste

Task fährt mit der Ausführung seines Programmcodes für die Erfüllung seiner Aufgabe

fort. Durch ein schnelles Wechseln zwischen den Tasks erscheint es dann so, als würden

die Aufgaben parallel abgearbeitet werden. Gesteuert werden können die Tasks unter ande-

rem durch Prioritäten. Tasks gleicher Priorität werden nacheinander ausgeführt (Round-

Robin), während ein Task mit hoher Priorität die volle Rechenzeit zur Verfügung hat und

nicht durch einen Task mit niedriger Priorität unterbrochen werden kann.

Bei dieser Arbeit wurde durch die Verwendung solcher Tasks eine saubere Trennung zwi-

schen Datenerfassung und Datenverarbeitung möglich. Beide Tasks brauchten nicht in

irgendeiner Weise miteinander synchronisiert werden und konnten getrennt voneinander

entwickelt werden. Einziges Bindeglied stellt der Software-FIFO zur Datenübergabe dar.

Diplomarbeit

Seite 43

sw

itc

h

sw

itc

h

sw

itc

h

sw

itc

h

sw

itc

h

da

ta

da

ta

Abbildung 4.22: Ausführung der Tasks

Abbildung 4.22 zeigt die Verwendung der Task in der Firmware. Der DAQ-Task besitzt

eine höhere Priorität als der Main-Task, damit er, wenn Daten vorhanden sind, nicht unter-

brochen werden kann und es zu keinem Datenverlust kommt. Durch die höhere Priorität

des DAQ-Tasks würde aber der Main-Task nie zur Ausführung kommen. Um es ihm trotz-

dem zu ermöglichen, seine Aufgabe zu erfüllen, wartet der DAQ-Task auf die Daten mit

Hilfe einer Eventfunktion des RTOS. Diese Eventfunktion bringt den DAQ-Task in einen

Ruhezustand, welcher es anderen Tasks mit niedrigerer Priorität erlaubt, ausgeführt zu

werden. Somit beginnt der Main-Task mit seiner Aufgabe. Hält der GPS-Empfänger Daten

zur Entgegennahme bereit, signalisiert er es dem Controller mittels eines Interrupts. Inner-

halb dieses Interrupts wird das Event für den DAQ-Task ausgelöst und er beginnt mit der

Datenauswertung. Nach der Datenauswertung werden diese in den FIFO geschrieben und

der DAQ-Task gibt seine Rechenzeit an den Main-Task ab, indem er wieder auf das Event

wartet. Durch diese Vorgehensweise wird sichergestellt, dass der DAQ-Task nur dann aus-

geführt wird, wenn Daten vorhanden sind und nur solange wie es nötig ist um die Daten zu

verarbeiten.

DAQ-Task 4.2.3

Innerhalb des DAQ-Tasks werden zuerst die CAN-Daten erfasst und zwischengespeichert.

Danach werden die GPS-Daten von der seriellen Schnittstelle für den GPS-Empfänger

eingelesen. Der Empfänger sendet die Daten in einem binären Format, welches platzspa-

render ist als eine ASCII-Darstellung. Bei der Auswertung der GPS-Daten wird zunächst

Diplomarbeit

Seite 44

versucht, den Start der Daten zu finden. Dargestellt wird dieser durch die Sequenz der drei

Bytes 0xAA, 0x44 und 0x12. Konnte der Start gefunden werden, erfolgt eine Längenprü-

fung der Daten und ein Vergleich der übertragenen CRC mit der berechneten Prüfsumme.

Wenn alles in Ordnung ist, werden die benötigten Informationen aus den Daten extrahiert

und zusammen mit den CAN-Daten in den FIFO geschrieben. Danach gibt der DAQ-Task

die CPU wieder an den Main-Task ab.

Folgende Informationen werden dem GPS-Records entnommen und an den Server gesen-

det:

• Längengrad [°]

• Breitengrad [°]

• Höhe über Meeresspiegel [m]

• Horizontale Geschwindigkeit [m/s]

• Vertikale Geschwindigkeit [m/s]

• Kurs [°]

• Anzahl an GPS-Satelliten in Sicht

• Anzahl an GPS-Satelliten, welche für die Berechnung herangezogen wurden

• Typ der Positionsbestimmung [Single, DGPS oder RTK]

• Status der Positionsbestimmung [Position gültig oder ungültig]

• Standardabweichung für den Längengrad [m]

• Standardabweichung für den Breitengrad [m]

• Standardabweichung für die Höhe [m]

• Alter der differenziellen Daten, wenn vorhanden [s]

Main-Task 4.2.4

Dieser Task besteht, wie Anfangs erwähnt, aus zwei Ablaufsteuerungen. Die erste verwal-

tet die Verbindung zum Server und die Datenübertragung, die zweite ist zuständig für die

SD-Karte. Aufgerufen werden diese Steuerungen wiederholend in einer Endlosschleife.

Diplomarbeit

Seite 45

Verbindungssteuerung 4.2.5

Abbildung 4.23 zeigt die Ablaufsteuerung für die Verbindung. Nach dem Start wird ge-

prüft, ob eine Verbindung besteht. Falls dies zutrifft und Daten zum Senden vorhanden

sind, oder Daten vom Server zur Einheit gesendet wurden (z.B. GPS-Korrekturdaten),

werden diese übertragen oder entgegengenommen und verarbeitet. Die Nutzdaten werden

für den Transfer immer in Frames verpackt (siehe Punkt 4.2.6). Sollte keine Verbindung

bestehen wird eine TCP/IP-Verbindung zum Server aufgebaut. Dies geschieht durch die

TCP/IP-Unterstützung des Modems und wird mit einem Kommando initiiert.

Abbildung 4.23: Ablaufdiagramm für die Serververbindung

Wenn eine TCP/IP-Verbindung erfolgreich zum Server aufgebaut werden konnte, muss

sich die Einheit noch anmelden, um Daten senden und empfangen zu können. Erforderlich

ist dieser Schritt, um die Einheit einem Benutzer zuordnen zu können, was für die Verwal-

tung der Daten notwendig ist.

Der erste Schritt bei der Authentifizierung ist, dass die Einheit eine Anmeldungsanfrage,

mittels einer InitClient-Nachricht, an den Server sendet (Abbildung 4.24). In dieser Nach-

richt ist die Unit-ID und Protokoll- sowie Firmeware-Version enthalten. Sollte es sich bei

Diplomarbeit

Seite 46

der Unit-ID um eine im System eingetragene Nummer handeln, erzeugt der Server ein zu-

fälliges Datenpaket und sendet dieses im InitServer-Paket an die Einheit. Wenn die ID

nicht vorhanden ist wird die Verbindung getrennt.

InitClient

Message

InitServer

Message

Authentication

Response

Authentication

Answer

Unit Server

Abbildung 4.24: Ablauf der Authentifizierung

Die Unit berechnet dann ihrerseits aus den empfangenen Zufallsdaten und einem internen

Schlüssel einen Hash-Wert mit dem MD5-Algorithmus [WIKI5] und teilt diesen dem Ser-

ver in der Authentication-Response mit.

Der Server berechnet seinerseits den Hash-Wert da er den internen Schlüssel auch kennt.

Stimmen der lokal berechnete und empfangene Wert überein gilt die Einheit als authentifi-

ziert. Dies wird der Einheit mit der Authentication-Answer mitgeteilt und die Anmeldung

am Server ist erfolgreich abgeschlossen.

Diplomarbeit

Seite 47

Übertragungsrahmen 4.2.6

Alle Daten und Kommandos werden in einen Übertragungsrahmen verpackt. Dieser Rah-

men besteht aus zwei eindeutigen Steuerzeichen (dem Start- und End-Zeichen) sowie einer

Prüfsumme zur Fehlererkennung. Durch das eindeutige Start- und End-Zeichen ist es für

den Server oder eine Anwendung sehr einfach die Daten aus einem kontinuierlichen

Stream zu filtern. Abbildung 4.25 zeigt den Aufbau eines solchen Rahmens.

Abbildung 4.25: Aufbau eines Übertragungsrahmens

Elemente im Rahmen:

• SOF StartOfFrame: Zeigt den Start eines neuen Datenpaketes an • Payload Daten: 1 bis 128 Byte an Nutzdaten • CRC Prüfsumme: CRC über die Nutzdaten • EOF EndOfFrame: Zeigt das Ende des Datenpaketes an

Damit die Steuerzeichen eindeutig sind, dürfen diese Zeichen in den Nutzdaten nicht vor-

kommen. Erreicht wird dies durch das Ersetzen aller Steuerzeichen innerhalb der Nutzda-

ten durch ein Sonderzeichen. Dieses Sonderzeichen wird aus einer bitweisen Exklusive-

ODER Verknüpfung des originalen Zeichens mit 0x80 erzeugt. Um bei der Dekodierung

zu erkennen wo ein Steuerzeichen durch ein Sonderzeichen ersetzt wurde, wird dem Son-

derzeichen ein ESCAPE-Symbol vorangesetzt. Jedes Mal, wenn bei der Dekodierung ein

ESCAPE-Symbol gefunden wird, muss dieses dann entfernt werden und das nächste Zei-

chen durch das entsprechende Steuerzeichen ersetzt werden. Natürlich muss auch das

ESCAPE-Symbol, wenn es Teil der originalen Nutzdaten ist, ersetzt werden. Schlussend-

lich kann es ebenso passieren, dass der berechnete CRC-Wert einem Steuerzeichen ent-

spricht. Dann muss auch dieser entsprechend ausgetauscht werden.

In der Tabelle 4.4 sind die Steuerzeichen mit den definierten Werten sowie die Ersatzse-

quenzen für selbige angegeben.

Diplomarbeit

Seite 48

Steuerzeichen Wert Transformierte Werte

SOF 0x23 0x5C, 0xA3

EOF 0x0A 0x5C, 0x8A

ESCAPE 0x5C 0x5C, 0xDC

Tabelle 4.4: Steuerzeichen und Ersatzsequenzen

Der transformierte Wert entsteht durch eine bitweise Exklusive-ODER Verknüpfung des

originalen Zeichens mit 0x80 (0�23 ⊕ 0�80 = 0�3). Die Prüfsumme wird über die

originalen Nutzdaten berechnet. Es handelt sich dabei um eine 8 Bit CRC.

Eine schrittweise Ausführung der Kodierung und Dekodierung wird in Tabelle 4.5 darge-

stellt.

Schritt Daten

Originaldaten 0x04 0x23 0x84 0x0A 0x01 0x03 0x94

Berechnung der CRC

und anhängen am Ende

0x04 0x23 0x84 0x0A 0x01 0x03 0x94 0x5C

Transformieren aller

Steuerzeichen

0x04 0x5C 0xA3 0x84 0x5C 0x8A 0x01 0x03 0x94 0x5C 0xDC

Hinzufügen von SOF

und EOF

0x23 0x04 0x5C 0xA3 0x84 0x5C 0x8A 0x01 0x03 0x94 0x5C 0xDC

0x0A

Datenübertragung

Entfernen von SOF

und EOF

0x23 0x04 0x5C 0xA3 0x84 0x5C 0x8A 0x01 0x03 0x94 0x5C 0xDC

0x0A

Rücktransformation

aller Steuerzeichen

0x04 0x23 0x84 0x0A 0x01 0x03 0x94 0x5C

Berechnen, prüfen und

entfernen der CRC

0x04 0x23 0x84 0x0A 0x01 0x03 0x94

Tabelle 4.5: Kodierung und Dekodierung von Daten

Diplomarbeit

Seite 49

Ausgangspunkt sind die Originaldaten. Im ersten Schritt wird die Prüfsumme berechnet

und am Ende der Originaldaten angehängt. Danach erfolgt die Umwandlung aller Steuer-

zeichen in die transformierten Werte laut Tabelle 4.4. Abschließend werden Startzeichen

und Endzeichen am Anfang und Ende der Daten angefügt.

Nach der Übertragung erfolgen alle Schritte der Kodierung in umgekehrter Reihenfolge.

Erstens entfernen von Start- und Endzeichen, danach Rücktransformation der Daten in die

Originaldaten und als letzter Schritt die Berechnung, Prüfung und Verwerfung der Prüf-

summe.

Diplomarbeit

Seite 50

PC-Softwares 4.3

Für die Konfiguration und für das Einspielen einer neuen Firmware in die Einheit wurde je

eine Bediensoftware geschrieben. Als Entwicklungsumgebung wurde das .Net-Framework

von Microsoft gewählt. Dieses Framework ist eine Laufzeitumgebung für Programme und

besteht aus Klassen, APIs und Services, welche eine schnelle Realisierung der Software

ermöglichten. Programmiert wurde in der Sprache C#.

Konfigurationssoftware 4.3.1

Abbildung 4.26: Hauptfenster der Konfigurationssoftware

Mir dieser Software können alle Einstellungen für das GPS-System, den CAN-Bus und die

Kommunikation vorgenommen werden. Neben der Abtastrate für das GPS kann auch ein

Filter aktiviert und konfiguriert werden. Dieser Filter dient zum glätten der GPS-Daten und

zur Kompensation kurzer GPS-Aussetzer (z.B. wenn man unter einer Brücke durchfährt).

Seitens des CAN-Busses ist es mit der Einheit möglich bis zu 16 Nachrichten zu empfan-

Diplomarbeit

Seite 51

gen. Für jede aktivierte Nachricht kann man die ID, die Länge der Nutzdaten und welche

davon übertragen werden sollen getrennt einstellen. Die Umrechnung in eine physikalische

Größe erfolgt am Server oder durch den Anwender. Weiteres können Abtastrate und Bus-

geschwindigkeit eingestellt werden.

Um mit dem Modem eine Verbindung zum Server aufzubauen sind neben einer gültigen

SIM-Karte folgende Einstellungen notwendig: Die Zugangsdaten für das Mobilfunknetz,

bestehend aus dem APN (Access Point Name), Benutzername und Passwort sowie das

Funknetzwerk, GPRS oder UMTS. Für den Server benötigt man die IP-Adresse und einen

Port. APN, Benutzername und Passwort für das Mobilfunknetz sind innerhalb der Software

als Liste vorhanden. Man wählt den Betreiber und die entsprechenden Werte werden ge-

setzt. Diese Liste kann mittels eines Texteditors beliebig verändert werden. Für den Ver-

bindungsaufbau und die Datenübertragung können weitere Parameter wie Paketgröße,

Verbindungstimeout usw. eingestellt werden.

Upgrade-Software 4.3.2

Abbildung 4.27: Hauptfenster der Upgrade-Software

Abbildung 4.27 zeigt das FlashTool nach einem erfolgreichen Update der Firmware einer

Einheit. Das Einspielen einer neuen Software erfolgt über den im Prozessor integrierten

Bootloader. Nach dem Aktivieren des Bootloaders müssen die betroffenen Sektoren ge-

Diplomarbeit

Seite 52

löscht und einzeln programmiert werden. Wenn diese Schritte abgeschlossen sind erfolgt

eine Verifizierung, ob alle Sektoren den richtigen Inhalt haben. Da alle Prozessoren dieser

Serie den gleichen Bootloader enthalten, war es zweckmäßig eine eigene Komponente zu

entwickeln, die alle unterschiedlichen Typen programmieren kann. Weiters war es not-

wendig einen Konverter zu schreiben, der die Firmware in ein für den Prozessor verständ-

liches Format übersetzt, bevor diese übertragen wird.

Ebenso wichtig wie eine robuste Softwareimplementierung ist die einfache Handhabbar-

keit. Außer sich mit der Einheit zu verbinden, eine Firmware-Datei auszuwählen und den

Updatevorgang zu starten, soll der Anwender nicht mit technischen Details in Berührung

kommen. Damit immer die aktuellste Firmware zur Verfügung steht ist es möglich, sich

via SFTP aus dem FlashTool heraus mit einem Server zu verbinden und die neueste Soft-

wareversion herunterzuladen.

Diplomarbeit

Seite 53

Kapitel 5

Messungen

Abbildung 5.1: Testeinheit

Die grundsätzliche Funktionsfähigkeit der einzelnen Features der Einheit wurde während

des Aufbaus sowie der Erstellung der Firmware getestet. Um den vollen Funktionsumfang

des Systems für einen Einsatz zu ermitteln musste zusätzlich eine Infrastruktur geschaffen

werden. Diese besteht aus einem Server im Internet, einer Visualisierungssoftware, der

Einheit und einer DGPS/RTK-Basisstation. Der Server im Internet hat die Aufgabe, die

Daten von der Unit entgegenzunehmen, abzuspeichern und an die Visualisierungssoftware

weiterzuleiten, welche die Position und die Motordaten anzeigt. Die Korrekturdaten für

den GPS-Empfänger in der Einheit werden von der Basisstation über den Server an die

Unit weitergeleitet. Für die Tests im Labor wurde der CAN-Bus des Fahrzeuges mit einem

USB-CAN-Interface simuliert. Der Server und die Visualisierungssoftware wurden von der

Firma PJS-Systems GmbH zur Verfügung gestellt. In Abbildung 5.2 wird der Testaufbau

schematisch dargestellt.

Diplomarbeit

Seite 54

Abbildung 5.2: Testaufbau

Für die GPS-Korrekturdaten musste eine Konvertierungssoftware geschrieben werden, da

die Unit nur Daten in dem in Punkt 4.2.6 definierten Übertragungsrahmen akzeptiert. Diese

Software übernimmt die Korrekturdaten von einer seriellen Schnittstelle oder einem

TCP/IP-Port, versieht sie mit dem Rahmenprotokoll und sendet diese weiter an den Server.

In Abbildung 5.3 ist die Konvertierungssoftware abgebildet.

Abbildung 5.3: DGPS/RTK - Konvertierungssoftware

Diplomarbeit

Seite 55

GPS-Vergleichsmessungen 5.1

Bei den GPS-Messungen sollten Erfahrungen mit dem GPS-Empfänger gesammelt und die

einzelnen Betriebsmodi miteinander verglichen werden, um eine Abschätzung über die

Genauigkeit zu erhalten. Folgende Tests wurden im Labor durchgeführt:

• Vergleich der Abweichung der einzelnen Modi um den Schwerpunkt • Abweichung der einzelnen Schwerpunkte der Modi untereinander

Bei den Tests im Labor handelt es sich ausschließlich um statische Messungen, eine Be-

wegung der GPS-Antenne fand nicht statt. Die Messwerte wurden an unterschiedlichen

Tagen und Tageszeiten ermittelt. Um eine Angabe in Meter zu erhalten, wurden die GPS-

Koordinaten in das Gauß-Krüger-Koordinatensystem umgerechnet.

Abbildung 5.4 zeigt ein Ergebnis für den ersten Test.

Abbildung 5.4: Abweichungen für Single, DGPS und RTK (Blau…Single, Rot…DGPS, Grün…RTK)

Bei dieser Messung wurde aus den Werten für jeden Betriebsmodus der Schwerpunkt be-

rechnet und dann übereinander gelegt. Die maximale Abweichung eines Punktes vom

Schwerpunkt ist in Tabelle 5.1 angegeben.

Diplomarbeit

Seite 56

Betriebsmodus Abweichung

m

Single 2.75

DGPS 0.82

RTK20 0.22

Tabelle 5.1: Abweichungen vom Schwerpunkt

In Abbildung 5.5 wurden die Schwerpunkte der Messungen nicht übereinander gelegt.

Man erkennt einen deutlichen Offset zwischen den Schwerpunkten für Single und

DGPS/RTK.

Abbildung 5.5: Abweichungen der Schwerpunkte (Blau…Single, Rot…DGPS, Grün…RTK)

Da für einen Fahrlinienvergleich aber nur der RTK-Modus eingesetzt werden sollte, ist es

wichtig, dass der Abstand zwischen den Schwerpunkten für die Messungen dieser Be-

triebsart klein bleibt. Abbildung 5.6 zeigt die Messwerte und Schwerpunkte für drei RTK-

Messungen.

Diplomarbeit

Seite 57

Abbildung 5.6: Schwerpunkte für drei RTK-Messungen

Die maximale Abweichung der Schwerpunkte für diese Messwerte beträgt 0,3 m. Dieser

erste grundsätzliche Test mit dem GPS-System zeigt, dass, wenn ein Vergleich der Fahrli-

nie gewünscht ist, man den GPS-Empfänger im RTK-Modus betreiben muss. Ansonsten ist

ein seriöser Vergleich zwischen den einzelnen Runden und Fahrten nicht möglich. Für die

Lokalisierung des Fahrzeuges auf der Rennstrecke bei der Überwachung der Motordaten

des Fahrzeuges sind der Single- und DGPS-Modus ausreichend.

Diplomarbeit

Seite 58

Feldtests 5.2

Der Feldtest konnte im Zuge eines Testwochenendes eines Rennteams am Hungaroring

durchgeführt werden. Zu diesem Zweck musste im Vorfeld der Einbau der Einheit und der

GPS-Antenne in der Zentrale des Rennteams abgesprochen und durchgeführt werden. Da

in diesem Rennauto nur sehr wenig Platz vorhanden war, entschied man sich die Einheit

am Boden vor dem Fahrersitz unterzubringen. Die Verkabelung der GPS- und UMTS-

Antenne verlief seitlich vor zu der Front des Autos, wo die Antennen auf der Nase ihren

Platz fanden. Die Spannungsversorgung und der Zugang zum CAN-Bus verliefen in den

hinteren Teil des Fahrzeuges.

Um keine Probleme mit der Datenübertragung zu bekommen (Funknetzbedingungen am

Hungaroring waren unbekannt), entschied man sich nur ausgewählte Nachrichten vom

CAN-Bus des Fahrzeuges mit 10Hz zu übertragen, siehe Tabelle 5.2.

Bezeichnung Einheit

Eingelegter Gang -

Motordrehzahl 1/min

Temperatur Bremse FL/FR °C

Temperatur Bremse RL/RR °C

Temperatur Motoröl °C

Druck Motoröl Bar

Temperatur Getriebeöl °C

Druck Getriebeöl Bar

Drehrate °/sec

Gaspedalposition %

Tabelle 5.2: Ausgewählte Nachrichten vom CAN-Bus

Diplomarbeit

Seite 59

Nach der Durchführung der Konfiguration erfolgte ein abschließender Test des Systems

am Fahrzeug.

Das Testwochenende am Hungaroring begann mit Aufbau und Konfiguration der GPS-

Basisstation. Danach folgte die geografische Erfassung der Strecke für die Visualisierungs-

software. Dazu musste die Strecke einmal am rechten und einmal am linken Rand abgefah-

ren werden, um die Kontur zu bekommen. Abbildung 5.7 zeigt die Strecke und Abbildung

5.8 die generierte Strecke in der Visualisierungssoftware.

Abbildung 5.7: Übersicht über den Hungaroring [WIKI1]

Abbildung 5.8: Darstellung des Hungarorings in der Software

Diplomarbeit

Seite 60

Die Positionsbestimmung für die Tests sollten in der RTK-Betriebsart erfolgen, um mög-

lichst genaue Ergebnisse zu bekommen. Eine Eigenschaft der RTK-Betriebsart ist es aber,

dass die gewünschte Genauigkeit nicht sofort nach Aktivierung zur Verfügung steht. Es

wird eine gewisse Zeit benötigt bis der GPS-Empfänger die Genauigkeit erreicht hat. In

Abbildung 5.9 wird die Standardabweichung (SD) für Längengrad und Breitengrad darge-

stellt. Die Standardabweichung gibt die 63 %ige Wahrscheinlichkeit an, dass sich die wah-

re Position innerhalb eines Kreises um den Messpunkt mit dem angegebenen Radius r be-

findet.

Abbildung 5.9: Standardabweichung für eine RTK-Messung

Man erkennt, dass eine Genauigkeit von 0,2 m (RMS) nach ca. 5600 Messpunkten (4.6

Minuten) und von 0,1 m (RMS) erst nach 11,3 Minuten erreicht wird. Dies sind Werte für

statische Verhältnisse. Wenn sich das Rennauto bewegt, steigen die Werte für SD bzw.

sinkt die Genauigkeit.

Um eine ausreichende Genauigkeit ab der ersten Runde zu erzielen wurde das Fahrzeug in

die Boxengasse gebracht und das System aktiviert. Nach Erreichen der Genauigkeit konn-

ten die Testrunden gefahren werden.

Abbildung 5.10 zeigt die Positionsdaten für eine Runde, den Kurs und die Geschwindig-

keit. Kurs und Geschwindigkeit sind Messdaten vom GPS-Empfänger. Ein Sensor für die

Drehrate, Längs- und Querbeschleunigung waren standardmäßig im Fahrzeug vorhanden

und mit dem CAN-Bus verbunden. Abbildung 5.13, 5.14 zeigen die entsprechenden Gra-

phen.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 104

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Samples

SD

[m

]

Longitude

Latitude

Diplomarbeit

Seite 61

Abbildung 5.10: Positionsdaten für eine Runde

Abbildung 5.11: Kurs

19.242 19.244 19.246 19.248 19.25 19.252 19.254 19.256 19.25847.575

47.58

47.585

47.59

Longitude [°]

Latit

ude

[°]

0 500 1000 1500 2000 25000

50

100

150

200

250

300

350

400

Sample

Bea

ring

[°]

Diplomarbeit

Seite 62

Abbildung 5.12: Horizontale Geschwindigkeit

Abbildung 5.13: Rotationsrate

Abbildung 5.14: Längs- und Querbeschleunigung

0 500 1000 1500 2000 250050

100

150

200

250

300

Sample

Vel

ocity

Hor

izon

tal [

km/h

]

0 500 1000 1500 2000 2500-60

-40

-20

0

20

40

60

Sample

Yaw

[1/

sec]

0 500 1000 1500 2000 2500-3

-2

-1

0

1

2

3

Sample

Acc

eler

atio

n [g

]

Side

Front

Diplomarbeit

Seite 63

Die Abbildungen 5.15 bis 5.22 zeigen die restlichen Fahrzeugdaten mit 10 Hz. Diese Ab-

tastrate ist für eine Überwachung des Fahrzeuges während eines Tests oder Rennens aus-

reichend.

Abbildung 5.15: Motordrehzahl

Abbildung 5.16: Gaspedalstellung

Abbildung 5.17: Eingelegter Gang

0 500 1000 1500 2000 25005000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

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Sample

Eng

ine

RP

M [

1/m

in]

0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

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100

Sample

Thr

ottle

Pos

ition

[%

]

0 500 1000 1500 2000 25001

2

3

4

5

6

7

Sample

Gea

r

Diplomarbeit

Seite 64

Abbildung 5.18: Temperatur der Bremsen

Abbildung 5.19: Öldruck des Getriebes

Abbildung 5.20: Öltemperatur des Getriebes

0 500 1000 1500 2000 25000

100

200

300

400

500

600

700

800

Sample

Bre

ak T

empe

ratu

re [

°C]

BreakTempFrontLeftBreakTempFrontRightBreakTempRearLeftBreakTempRearRight

0 500 1000 1500 2000 25000

2

4

6

8

10

12

14

Sample

Gea

rBox

Oil

Pre

ssur

e [B

ar]

0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

80

100

Sample

Gea

rBox

Oil

Tem

pera

ture

[°C

]

Diplomarbeit

Seite 65

Abbildung 5.21: Öldruck des Motors

Abbildung 5.22: Öltemperatur des Motors

0 500 1000 1500 2000 25002

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Sample

Oil

Pre

ssur

e [B

ar]

0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

80

100

Sample

Oil

Tem

pera

ture

[°C

]

Diplomarbeit

Seite 66

Abbildungsverzeichnis

3.1 OEMV-1 Series GPS-Receiver 14

3.2 Positionsbestimmung mit drei Satelliten 16

3.3 DGPS-, RTK-Konfiguration 17

3.4 Typische CAN-Bus Topologie 18

3.5 CAN-Bus Spannungspegel 19

3.6 UC864-E Modem der Firma Telit 20

4.1 Blockschaltbild der Hardware 24

4.2 Basisplatine mit WWAN- und GPS-Platine 25

4.3Konzept der Spannungsversorgung 26

4.4 Schaltung für Überspannungsschutz und Strombegrenzung 26

4.5 Eingangsspannung mit Überspannung ohne Schutzschaltung 27

4.6 Eingangsspannung mit Überspannung und Schutzschaltung 28

4.7 Abschaltung der internen Spannungsversorgung 28

4.8 Einschaltstromstoß ohne Strombegrenzung 29

4.9 Einschaltstromstoß mit Strombegrenzung 29

4.10 Schaltung des RS232-Interfaces 31

4.11 Schaltung des CAN-Interfaces 32

4.12 Schaltung einer Eingangsstufe 33

4.13 Schalthysterese einer Eingangsstufe 33

4.14 Schaltung des Ausganges 34

4.15 Schaltung für die Speicherkarte 35

4.16 Spannungsversorgung für das Modem 36

4.17 Schaltung für das Modem 37

4.18 Schaltung für die Statuslampen 38

Diplomarbeit

Seite 67

4.19 Schaltung für den GPS-Empfänger 39

4.20 Aufteilung der Firmware 40

4.21 Tasks 42

4.22 Ausführung der Tasks 43

4.23 Ablaufdiagramm für die Serververbindung 45

4.24 Ablauf der Authentifizierung 46

4.25 Aufbau eines Übertragungsrahmens 47

4.26 Hauptfenster der Konfigurationssoftware 50

4.27 Hauptfenster der Upgrade-Software 51

5.1 Testeinheit 53

5.2 Testaufbau 54

5.3 DGPS/RTK - Konvertierungssoftware 54

5.4 Abweichungen für Single, DGPS und RTK 55

5.5 Abweichungen der Schwerpunkte 56

5.6 Schwerpunkte für drei RTK-Messungen 57

5.7 Übersicht über den Hungaroring 59

5.8 Darstellung des Hungarorings in der Software 59

5.9 Standardabweichung für eine RTK-Messung 60

5.10 Positionsdaten für eine Runde 61

5.11 Kurs 61

5.12 Horizontale Geschwindigkeit 62

5.13 Rotationsrate 62

5.14 Längs- und Querbeschleunigung 62

5.15 Motordrehzahl 63

5.16 Gaspedalstellung 63

5.17 Eingelegter Gang 63

Diplomarbeit

Seite 68

5.18 Temperatur der Bremsen 64

5.19 Öldruck des Getriebes 64

5.20 Öltemperatur des Getriebes 64

5.21 Öldruck des Motors 65

5.22 Öltemperatur des Motors 65

Diplomarbeit

Seite 69

Tabellenverzeichnis

3.1 OEMV-1 Genauigkeiten 15

3.2 UC864-E Datenraten und Frequenzen 21

4.1 Versorgungsspannung und Stromaufnahme der Komponenten 25

4.2 Kommandos des Hilfs-Mikrocontrollers 30

4.3 Bedeutungen der Statuslampen 38

4.4 Steuerzeichen und Ersatzsequenzen 48

4.5 Kodierung und Dekodierung von Daten 48

5.1 Abweichungen vom Schwerpunkt 56

5.2 Ausgewählte Nachrichten vom CAN-Bus 58

Diplomarbeit

Seite 70

Literaturverzeichnis

[1] Martin Sauter (2011); Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

(4.Auflage); VIEWEG+TEUBNER

[2] John Dunlop, Demessie Girma, James Irvine (2000); Digital Mobile

Communications and the TETRA System; John Wiley & Sons, LTD

[3] Manfred Krüger (2008); Grundlagen der Kraftfahrzeugelektronik

(2.Auflage); HANSER

[4] Henning Wallentowitz, Konrad Reif (Hrsg.) (2006); Handbuch Kraft-

fahrzeugelektronik (1.Auflage); Vieweg

[5] NXP (2009); LPC23XX User manual; UM10211

[6] NXP (2008); LPC2387; Product data sheet

[7] Telit (2008); UC864 E/G Hardware User Guide

[8] Telit (2008); UC864-E/G Software User Guide

[9] Telit (2007); UC864-E/UC864-G AT Commands Reference Guide

[10] NovAtel Inc. (2009); OEMV Family Firmware Reference Manual

(Rev. 7); OM-20000094

[11] NovAtel Inc. (2009); OEMV Family Installation and Operation User

Manual (Rev. 10); OM-20000093

[12] Linear Technology; LT4356-1/LT4356-2 Surge Stopper; Datasheet

[13] infineon (2006); ITS4140N (Rev. 2.1); Datasheet

[14] NXP (2008); PCF8574 Remote 8-bit I/O expander for I2C-bus; Data

sheet

[15] ISO 11898-1:2003; Road vehicles -- Controller area network (CAN) --

Part 1: Data link layer and physical signalling; ISO Standard

[16] ISO 11898-2:2003; Road vehicles -- Controller area network (CAN) --

Part 2: High-speed medium access unit; ISO Standard

[17] ISO 11898-3:2006; Road vehicles -- Controller area network (CAN) --

Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface; ISO

Standard

Diplomarbeit

Seite 71

[NET1] NovAtel Inc.; http://www.novatel.com

[NET2] Telit Communications S.p.A.; http://www.telit.com

[NET3] APOS - Austrian Positioning Service (2011);

http://www.bev.gv.at/portal/page?_pageid=713,1571538&_dad=portal

&_schema=PORTAL

[WIKI1] WIKIPEDIA (2011); Hungaroring;

http://de.wikipedia.org/wiki/Hungaroring

[WIKI2] WIKIPEDIA (2011); Gauß-Krüger-Koordinatensystem;

http://de.wikipedia.org/wiki/Gauß-Krüger-Koordinatensystem

[WIKI3] WIKIPEDIA (2011); Global Positioning System;

http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System

[WIKI4] WIKIPEDIA (2011); Galileo (Satellitennavigation);

http://de.wikipedia.org/wiki/Galileo_(Satellitennavigation)

[WIKI5] WIKIPEDIA (2011); Message-Digest Algorithm 5;

http://de.wikipedia.org/wiki/Message-Digest_Algorithm_5

Diplomarbeit

Seite 72

Anhang I

Schaltpläne

Basisplatine 73

Schaltplan 1: Verbindung zur Modem- und GPS-Platine 73

Schaltplan 2: Spannungsversorgung 74

Schaltplan 3: CAN-Interface und Eingänge 75

Schaltplan 4: RS232-Interface und Speicherkarte 76

Schaltplan 5: Speicher und Ausgang 77

Schaltplan 6: Mikrocontroller Spannungsversorgung, Oszillator und JTAG 78

Schaltplan 7: Mikrocontroller GPIOs 79

WWAN-Platine 80

GPS-Platine 81

Diplomarbeit

Seite 73

Schaltplan 1: Verbindung zur Modem- und GPS-Platine

GP

IO1

GP

IO2

GP

IO3

GP

IO4

GP

IO5

GP

IO6

GP

IO7

GP

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GP

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GP

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2930

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X1

SM

PC

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12

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2526

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2930

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SM

PC

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GP

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onne

ctor

Diplomarbeit

Seite 74

Schaltplan 2: Spannungsversorgung

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3

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GN

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Diplomarbeit

Seite 75

Schaltplan 3: CAN-Interface und Eingänge

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GN

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Diplomarbeit

Seite 76

Schaltplan 4: RS232-Interface und Speicherkarte

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D

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D1

3

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1

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3

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C

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C

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74A

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7427

9204

1

CD

CD

CD

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1

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2

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DA

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1

SH

DM

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DM

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V

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V

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V

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V

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V3.5MLA0805

V

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V

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VR

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V14MLA0805

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V14MLA0805

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X5-

1

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2

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PC

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PC

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SP

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C_R

TS

Diplomarbeit

Seite 77

Schaltplan 5: Speicher und Ausgang

AD

0A

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AD

2E

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EX

SH

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EX

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T_M

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T_M

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D

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D

GN

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GN

D

GN

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GN

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D8

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24C

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SH

LD

SH

LDS

HLD

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2

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1

MO

LEX

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LEX

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MO

LEX

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and

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Diplomarbeit

Seite 78

Schaltplan 6: Mikrocontroller Spannungsversorgung, Oszillator und JTAG

/TR

ST

RE

SE

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RT

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TM

S

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D

GN

D

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D

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2387

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D3V

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VD

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D_D

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D_D

CD

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12

VS

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VS

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VS

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VS

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VS

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SA

11

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RLP

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1

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R20

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R21

100k

R23

100k

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100k

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X6-

1

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X6-

2

X6-

3X

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X6-

5

X6-

6

X6-

7

X6-

8

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9

X6-

10

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scill

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MP

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1342

8428

5471

96

Diplomarbeit

Seite 79

Schaltplan 7: Mikrocontroller GPIOs

AD

0A

D1

AD

2

CA

N_R

S

CA

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2

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GP

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GP

GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

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GP

S_T

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GP

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M_D

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P0.

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P0.

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P0.

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P0.

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P0.

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P0.

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P0.

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P0.

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IC4_

P0

LPC

2387

P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

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P1.

2337

P1.

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P1.

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P1.

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P1.

2743

P1.

2844

P1.

2945

P1.

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P1.

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IC4_

P1

LPC

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P2.

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P2.

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P2.

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P2.

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IC4_

P2

LPC

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P3.

2527

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P3

LPC

2387

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18

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2008

-11-

18

Diplomarbeit

Seite 80

Schaltplan 8: WWAN-Platine

GP

IO1

GP

IO2

GP

IO3

GP

IO4

MD

M_C

TS

MD

M_C

TS

MD

M_D

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MD

M_D

CD

MD

M_D

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M_D

SR

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M_D

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M_D

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M_O

N

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M_P

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M_R

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MD

M_R

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MD

M_R

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MD

M_R

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MD

M_T

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CLK

SIM

CLK

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SIM

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B_D

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B_D

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D

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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3

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_EX

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_EX

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C2

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C35

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+C

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C38

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C47

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D1

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D

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GN

D

GN

D

GN

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GN

D

GN

D

GN

D

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ND

GN

DG

ND

GN

DG

ND

GN

DG

ND

GN

DG

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DG

ND

GN

DG

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GN

D

12

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SN

74LV

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IC5C

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1

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EA

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12

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_HF

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-14

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_MT

+15

MIC

_MT

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53

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18

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PIO

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70

TG

PIO

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74

TG

PIO

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66

TG

PIO

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59

TG

PIO

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TX

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PIO

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RM

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PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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TG

PIO

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PIO

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PIO

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PIO

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PC

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TG

PIO

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TG

PIO

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58

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PIO

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72

TG

PIO

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D25

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+79

US

B_D

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3

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138

Q3

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8

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180

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100k

R17

100k

R18

220

R19

220

R20

220

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220

R22

220

R23

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R24

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220

R26

680

R27

100k

R28

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R29

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R33

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R34

10k

R35

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680

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100k

VR

45dn

a

VR

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a

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R10

347

k

R10

433

k

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TP

2

TP

3

12

34

56

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1112

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1920

2122

2324

2526

2728

2930

3132

X3

D+D-

GN

DID

SH

IELD

1S

HIE

LD2

SH

IELD

3S

HIE

LD4

VB

US

X4 USB

Mod

em T

elit

UC

864

0

Diplomarbeit

Seite 81

Schaltplan 9: GPS-Platine

GP

IO1

GP

IO2

GP

IO3

GP

IO4

GP

S_E

V1

GP

S_E

V1

GP

S_P

V

GP

S_P

V

GP

S_R

ES

ET

GP

S_R

ES

ET

GP

S_R

X1

GP

S_R

X1

GP

S_R

X2

GP

S_R

X2

GP

S_T

MG

PS

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GP

S_T

X1

GP

S_T

X1

GP

S_T

X2

GP

S_T

X2

IIC

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T

IIC

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T

IIC

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L

IIC

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L

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A

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US

B_D

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B_D

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US

B_D

-

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3

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3

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3

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3

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3

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GN

D

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D

GN

D

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GN

D

GN

D

GN

DG

ND

GN

D

GN

DG

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GN

D

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GN

D

GN

D

/INT

13

A0

1

A1

2

A2

3

GN

D8

P0

4

P1

5

P2

6

P3

7

P4

9

P5

10

P6

11

P7

12

SC

L14

SD

A15

VC

C16

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PC

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74D

W

3V3

5

D1

1

D2

3D

34

D4

6

GN

D2

IC4

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5

CA

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RX

8

CA

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TX

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EV

EN

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EV

EN

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CA

N1_

TX

7

GN

D1

10

GN

D2

13

GN

D3

16

GN

D4

18

LNA

_PW

R1

PV

17

RX

D1

12

RX

D2

15

SHDS1SHDS2SHDS3SHDS4

TIM

EM

AR

K19

TX

D1

11

TX

D2

14

US

B_D

_M3

US

B_D

_P4

VA

RF

/CA

N1_

RX

6

VIN

2

NOVATEL OEMV-1

M1

NO

VA

TE

L_O

EM

V-1

_SH

DG

Q1

BS

S13

8Q

2B

SS

138

Q4

BS

S13

8

R1

1k4

R2

220

R3

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R4

220

R5

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R6

220

R7

220

R8

220

R9

220

R10

220

R11

220

R12

4k7

R13

1kR

1415

0R

1515

0

R16

100k

R17

150

R18

150

R19

150

R20

10k

R21

dna

R22

1k

R26

800

R27

100k

R38

dna

R39

800

R40

100k

X1-

1

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X1-

2X

1-3

12

34

56

78

910

1112

1314

1516

1718

1920

2122

2324

2526

2728

2930

3132

X3

D+D-

GN

DID

SH

IELD

1S

HIE

LD2

SH

IELD

3S

HIE

LD4

VB

US

X4 USB

GP

S N

ovA

tel O

EM

V-1

G0

Diplomarbeit

Seite 82

Anhang II

Bestückungspläne

Basisplatine 83

WWAN-Platine 84

GPS-Platine 85

Diplomarbeit

Seite 83

Basisplatine - Top

Basisplatine - Bottom

Diplomarbeit

Seite 84

WWAN-Platine - Top

WWAN-Platine - Bottom

Diplomarbeit

Seite 85

GPS-Platine - Top

GPS-Platine - Bottom