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Abstract / Einführung
Mit dem GPS-Modul gab und gibt es immer wieder Probleme mit der Funktion bzw. mit dem Empfang.
Dieser Artikel versucht, die Hintergründe und Lösungsmöglichkeiten darzustellen.
Modell
Der Hersteller dieses Moduls sollte U-BLOX sein, vermutlich sind aber auch Klone anderer Hersteller im Umlauf. Die Suchbezeichnung für die Internetsuche lautet: GY-GPS6MV2
Funktionsbeschreibung
Der GPS-Empfänger hat fünf Anschlüsse:
- VCC: Hier liegt die Betriebsspannung an, die vom Spannungswandler (rot, auf der Unterseite der OBS-Hauptplatine montiert) erzeugt wird: +3,3V;
- RX „Receive“ - ist an TX des ESP32-Prozessors geschaltet;
- TX „Transmit“ - ist an RX des ESP32-Prozessors geschaltet;
- GND: „Ground“, 0V (also Minuspol der Batterie) auch „Masse“ genannt, Bezugspotenzial für die Spannungsmessungen mit einem Voltmeter / Multimeter.
- Antenne: Dieser kleine Steckkontakt für die Antenne ist vom Typ MHF-I (wie DELOCK 65892) oder
(nicht verwechseln mit Stecker/Leitung MHF 4!)
Die Antenne wird mittels des empfindlichen Koaxialkabels (Impedanz: 50 Ohm) an die kleine MHF-Buchse angesteckt.
Hier das Innere der Antenne (der Abschirmdeckel ist für dieses Foto entfernt worden!):
Es handelt sich um eine „aktive Antenne“, sie enthält einen Verstärker (es ist der kleine, schwarze 6-beinige Schaltkreis, den man hinten mittig sieht).
Dieser antenneneigene, eingebaute Verstärker wird aus dem U-Blox-Modul mit Betriebsspannung versorgt. Beides, nämlich Antennenversorgungsspannung und Empfangssignal, teilen sich die Koax-Leitung.
Der Controller ESP-32 spricht mit dem Modul über TX → RX und lauscht auf Antwort an RX ← TX. Etwa jede Sekunde werden Daten vom GPS-Modul aktualisiert und dann ausgelesen.
Wer Lust hat, sich mit dem aufwändigen Datenblatt des Moduls zu befassen, findet es hier:
GPS in Betrieb nehmen
Nach dem Einschalten der Spannungsversorgung ist das GPS-Modul zunächst dumm. Damit es weiß, welche Satelliten wo am Himmel stehen sind, muss es erstmal etwas von „oben“ empfangen.
Der Downstream von „oben“ erfolgt nur mit 50Baud, dementsprechend sehr lange dauert es, bis das Modul alle Informationen heruntergeladen hat.
Zudem ist das Empfangssignal abhängig vom Wetter und von baulichen Bedingungen, die die ‚Sicht‘ hoch in den Himmel verderben. Das verlängert die Zeit ggfs. zusätzlich,
Die Informationen, die das Modul benötigt, um die Satelliten zu erkennen, sind in einer Tabelle o.ä. abgelegt, die „Almanach“ genannt wird.
Der Almanach kann aber nicht nur vom Satelliten-Downstream empfangen werden. Es gibt einen Server, der die vorberechneten Satellitenpositionen für die nächsten 14 Tage vorhält.
Deswegen empfiehlt sich der Download des Almanachs über die WLAN-Ankopplung des OBS.
(Wie der OBS ins heimische WLAN kommt, siehe hier: WIFI-Anbindung)
Ist das erfolgreich erledigt, so schaltet man den OBS bei gedrückt gehaltenem Displayknopf ein und hält weiter, bis im Display angezeigt wird, dass es sich im heimischen WLAN eingeloggt hat.
Sieh die letzte Zeile des Displays an: Nur wenige Sekunden vergehen, um die ALP DATA zu laden (also den 14-Tage-Almanach). Dieser Almanach bleibt nach dem Abschalten für 3-4 Stunden erhalten, sofern der auf dem GPS-Modul vorhandene, winzige Lithium-Pufferakku tatsächlich voll geladen ist. Mehr dazu siehe unten, Kapitel „Pufferbatterie“.
(Falls die Zeile „Load ALP DATA“ nicht erscheint, siehe unten in Troubleshooting das Kapitel 6.)
Lass den OBS nun eingeschaltet stehen, bis Du die Fahrt antrittst. Erst dann schalte aus und nach 5 Sek. wieder ein, dann aber ohne die Taste am Display zu drücken.
Der GPS-Teil ist jetzt betriebsbereit.
Besonderheit: Sollte in der vierten Zeile statt „Wait for GPS“ die Information stehen: „GPS off“, so weist das auf einen ernsten Fehler hin. In diesem Fall können sich der Controller und das GPS-Modul nicht miteinander unterhalten. Mehr dazu unten in „GPS off-Fehler“.
Einen GPS-Fix erreichen
Sofern der OBS bald nach dem Almanach-Download draußen aus- und eingeschaltet wird, kommt im Idealfall in Sekunden, abhängig von Umgebungsbedingungen aber auch in Minuten, ein Fix zustande, denn das GPS-Modul weiß nun bereits, wo die Satelliten stehen.
Im Display wird auch angezeigt, wie die Empfangsgüte ist, siehe die unterste Displayzeile, Angabe Noise*). Ist die Zahl hoch, ist der Empfang schlecht. Je niedriger, je besser.
Richtwerte:
- Schlechter Empfang 91…100
- Mittlere Qualität: 85…90
- Brauchbar bis gut: 73…84
(Dies sind bisher unverifizierte, eigene Erfahrungswerte von @Jan.D, der noch nie bessere Werte als 73 hatte)
Kommentar dazu:
Ich habe das Gefühl, dass die Richtwerte Unsinn sind, da ich neulich einen Innenräume-Wert von 75 hatte und der Fix draußen bei 95 stattfand. Das ist genau umgekehrt zu meiner Beschreibung. Hat vielleicht jemand von euch Erfahrungsdaten parat, so poste sie bitte in die Kommentare. Danke schön!
Sobald der Fix erreicht ist (also mehr als drei Satelliten ausgewertet werden können), schaltet die OBS-Firmware (also die Software im OBS) das Display in den Messbetrieb um.
Zusatzinfo:
Es sind nach etwa 4 Stunden nach dem Abschalten des OBS die „Ephemeris-Daten“ (die Positionen der Satelliten am Himmel) nicht mehr gültig, so dass Daten nachgeladen werden müssen.
Troubleshooting
Kapitel 1 - Pufferbatterie
Auf dem GPS-Modul befindet sich ein Mini-Akku. Ist dieser kleine Puffer-Akku leer (oder defekt), so kann sich das GPS-Modul den Almanach nicht merken und muss bei jedem Einschalten „von vorn“ beginnen.
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Wenn Du magst, führe eine Kontrollmessung aus:
- Lass zuvörderst den OBS ausgeschaltet über Nacht liegen.
- Öffne den Gehäusedeckel. NICHT EINSCHALTEN.
- Mit einem Multimeter im 20V-Bereich kontaktiere Messleitung 'schwarz / minus" an das äußere Metallteil des Antennensteckers (dort ist Bezugs-‚Null‘).
- Die rote Leitung kontaktiere von oben auf den Mini-Akku auf dem GPS-Board.
Foto: @Jan.D
(Linien in rot & schwarz zeigen, wo die Messleitungen angelegt werden)
Die Anzeige bringt Klarheit: Die Akku-Spannung liegt meist unter der Spannung, die laut Datenblatt ausreicht, um den Speicherinhalt zu halten - wir messen 0,7…1,2V. Zum dauerhaften Speichern der Almanachdaten müsste sie aber immer deutlich über 1,4V liegen!
Der Mini-Akku kann nur eine winzige Ladung speichern (~5,5mAh). Im Datenblatt des U-Blox-Moduls ist angegeben, dass der Strom zum Halten der Information 22uA beträgt. Rein rechnerisch kann der randvollgeladene Pufferakku die Daten dann 5500uA / 22uA = 250 Stunden (also etwa 10 Tage) halten.
Bei jeweils nur kurzer Benutzung und langer Liegezeit des OBS wird der Mini-Akku ständig leerer und zwischendurch auch gar nicht wieder richtig aufgeladen (lt. Datenblatt dauert das dutzende Stunden). Das bedeutet, dass bei nur kurzem Einschalten (zum Laden des Almanachs) und deshalb fast leerem Mini-Akku das GPS-Modul den Almanach schon wieder vergisst, während Du noch runter zu Deinem Rad läufst…
Lösung
Den OBS beim Aufladen per Ladegerät eingeschaltet lassen! So kann sich der Mini-Akku nebenbei etwas aufladen. Das Wenige genügt dann für kurze Abschaltphasen.
Anschließend so handhaben, wie oben bei „GPS in Betrieb nehmen“.
Kapitel 2 - Anzeige „GPS off“ (Fehler)
Zeigt das Display in der vierten Zeile: „GPS off“, so handelt es sich um einen Fehler (danke an @andreas für den Hinweis ). Was tun?
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Es sprechen RX und/oder TX nicht richtig und das Modul wird deshalb vom Controller ESP32 nicht erkannt.
In diesem Fall können mehrere Punkte überprüft werden:
Falls es schon einmal funktioniert hat und nun plötzlich oder gelegentlich „GPS off“ angezeigt wird, so inspiziere die Lötstellen des GPS-Modul-Anschlusses, also deren Verbindung zur Hauptplatine. Es mag angehen, dass sich einer oder mehrere Kontakte durch Erschütterungen losgerüttelt haben. Prüfen und nachlöten.
Ist leitfähiger Dreck auf die vier Kontakte gekommen, z.B. Abschirmdrähtchen von den Ultraschallsensoren abgebröselt? Im Zweifel alles mit einem Pinsel abbürsten, der auch gern dazu in Isopropanol getaucht werden darf
Falls es noch nie funktioniert hat, zuerst messen, ob VCC anliegt (Messleitung schwarz an GND, Messleitung rot an VCC, beides direkt am Modul!). Ist das nicht der Fall, bitte alles abschalten, den ESP32 hochnehmen und darunter prüfen, ob JP1 überbrückt ist. Vgl. dazu die Aufbauanweisung, darin Schritt 6.
Nachmessen / nachlöten.
Sind sonstwo auf der Verbindung VCC, GND, RX oder TX Unterbrechungen oder Kurzschlüsse zu finden? Siehe auch das Kapitel " Lötstellen".
Prüfen und beheben.
Falls nichts geholfen hat oder die Ursache war: Weiter im Kapitel „Test des GPS-Moduls per UART“.
Kapitel 3 - schlechte Lötstellen am U-Blox
Das silberne U-Blox-„IC“ auf der Platine hatte bei mindestens drei Personen schlechte Lötungen.
Doch… wie erkennt man das?
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Foto: @Jan.D
Dieses Modul habe ich von Hand nachgelötet, weil die Lötstellen ‚unterirdisch‘ aussahen.
Seht euch mal den Aufkleber auf dem U-Blox-IC an. Der scheint nachträglich draufgeklebt worden zu sein! Meine Vermutung ist, dass irgendwer dieses Teil woanders ausgebaut (z.B. aus Modulen, die irgendwie nicht funktionierten) und hier wieder eingebaut hat. Der verschmurgelte Originalsticker wurde dann ersetzt. Die Klebreste haben sie zuvor nicht abgewischt.
Vielleicht war es so… vielleicht waren deshalb die Lötungen nicht OK.
Aber wie erkennt ihr nun schlechte Lötstellen?
Als Handreichung mag diese Fibel hier gelten: http://www.ipctraining.org/demos/pdf/drm-smt-f-de.pdf
Vergleicht die Bilder von „idealen Lötstellen“ mit denen von „gestörten Lötstellen“.
Mit guten Augen und ggfs. einer Lupe und gutem Licht sollten keine Fragen offen bleiben.
Reparatur: Durch Personen mit SMD-Löt- und Reparaturerfahrung! Wer bisher nur den OBS gebaut hat, sollte das lieber in freundlich helfende Hände geben.
Kapitel 4 - 3V7-Umbau
@Jan.D hat erkannt, dass es eine kleine Designschwäche in der Spannungsversorung des GPS-Moduls gibt. Hier ein Umbauvorschlag von ihm.
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Das GPS-Modul hat einen internen Wandler, der die an VCC angelegte Spannung auf 3,3V herabsetzt, um damit das U-BLOX-IC und weitere interne Teile, wie den Antennenverstärker, zu versorgen. Dieser Wandler ermöglicht eine Versorgung z.B. auch mit 4V oder 5V, da intern auf dem Modul immer 3,3V bereitstehen.
Im OBS, Stand 00.03.12, ist die auf der Hauptplatine verwendete Spannung bereits nur 3,3V, sie wird vom roten Wandler auf der Unterseite der Hauptplatine aus der Akkuspannung der großen 18650-Rundzelle bereitgestellt.
Der interne Wandler auf dem GPS-Modul kann deshalb seinen Job nicht machen. Im Idealfall lässt er die 3,3V einfach so durch. Tatsächlich bleibt aber etwas ‚hängen‘, zwischen 0,1V und 0,2V (‚Dropout-Spannung‘). Es sind deswegen intern im GPS-Modul nur ca. 3,1…3,2V zu messen.
Wer möchte, kann einen einfachen Umbau machen, mit dem das GPS-Modul aus der Akkuspannung (ohne den roten Wandler dazwischen) versorgt wird. So erhält es immer intern 3,3V, solange die 18650-Rundzelle über 3,3V hat. Das kann beim Empfang Vorteile haben.
Der 3V7-Umbau
(der so heißt, weil er auf die 3,7V der Batterie verweist)
-
Pin VCC am Modul auf eine Art unterbrechen, dass sich ein dünnes Kabel am Modul anlöten lässt und die 3,3V von der Hauptplatine nicht mehr durchkommen;
-
Die an VCC gelötete Leitung zum Wandler rüberziehen und dort gemäß Bild anlöten (das ist der Eingang des Wandlers, an dem ca. 3,7V anliegen (Batt. voll: 4,2V… Batt. leer: <3,5V).
Foto: @Jan.D
Foto: @Jan.D
Vielleicht fließt dies in ein nächstes Layout mit ein, das möge jemand anderes entscheiden.
Kapitel 5 - Die Antenne und das Antennenkabel
Auf dem GPS-Modul befindet sich der Stecker, am Kabel ist die Buchse.
Es kann passieren, dass diese Kombination im Steckversuch ziemlich klemmt . Mir ( @Jan.D ) ist direkt ein Stecker vom GPS-Modul abgerissen 
Zudem sind diese 50-Ohm-Koaxkabel recht empfindlich. Knicke und ‚dran ziehen‘ ist sehr schlecht.
Die am Kabel angesetzte MHF-Buchse ist nicht gelötet, nur gecrimpt. Wackelkontakte nach schlechter Behandlung können vorkommen!
Für das Austauschen von evtl. defekten Leitungen gibt es ein eigenes Wiki.
Mit der dort genannten Version 2 kannst Du GPS-Module mit abgebrochener Buchse weiter verwenden!
Kapitel 6 - ALP Daten werden nicht geladen
Hält man den Knopf am Display beim Einschalten gedrückt, so verbindet sich der OBS mit dem eingerichteten WLAN. Nach Sekunden erscheint eine Zeile im Display: „Load ALP DATA“.
Falls das nicht funktioniert, wenn also einfach nichts angezeigt wird, so führe ein Firmware-Update durch.
Hier geht es zur Anleitung: Firmware-Update.
Kapitel 7 - Test des GPS-Moduls per UART
Wir in der Hamburger Gruppe haben viele GPS-Module und Antennen gehabt, von denen wir nicht wussten, ob sie funktionieren.
Solche Module in einen OBS einzusetzen ist oft enttäuschend, weil nichts läuft.
Nun wäre es gut, wenn die Module nach „gut“ und „schlecht“ sortiert werden könnten.
Da der Artikel recht lang ist, lies bitte hier weiter: [Wiki] GPS-Module mittels eines UART testen
-/- Ende des Wiki -/-
- ich habe das bei meinem ersten Modul auch gehabt und es in der Firma unter dem Mikroskop nachgelötet. Ich werde das ins Wiki mit aufnehmen.
).