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GPS(GNSS)モジュール u-blox M8N で正確な時刻信号を作る(セットアップ編)

◆まえがき
最近の GPSレシーバーの性能はすごく良くなっているらしいので、Aliexpress からモジュールを買ってみました。なお、以下の記事ではGPSではなく GNSS と呼ぶことにします。

▼u-blox m8n 搭載モジュール GG-1802
GG-1802
値段は送料込みで$7.38です。 Aliexpress の商品のページはこちら

GNSS モジュールはいろいろな物が売られていて、どれを買えばいいのか良いか良く判りません。とりあえず今が一番旬のような雰囲気がして、購入数が多い物(とセラー)を選びました。

u-blox 社の製品名の命名ルールがよく判っていないのですが、下位の階層から書くと、ジェネレーションは m8n、チップパッケージは M8030-KTで、基板モジュール名は GG-1802という感じではないかと思います。なお基板モジュール名はTOPGNSS社の製品名だと思います。

ちなみにジェネレーションが 6 の世代だと2ドルくらいの安値で売られています。それって昔はトラ技のGPS特集でメインに解説されていて、aitendo でも2000円以上の値段が付いていたので今昔の感があります。なお、テクノロジが 8 でも単なる 8 と m8 は違うようなのですが、そのあたりがどう違うのかよく判らないです。あと現在の最新版は9です。

ともかくドローンンの普及に合わせ、高性能化、小型化、廉価化が急速に進んでいるようです。

▼GNSS モジュール到着
u-blox m8n 搭載GNSSモジュール
本物かどうか判らないですが、ともかく届きました。

▼ケースに入れた
使い易いように配線
モジュールのままでは使い難いので、USBシリアルインターフェイスを付けて、電波の反射板と一緒に小さなケースに入れました。

▼インターフェイス
u8mモジュールにシリアルアダプタを接続
右側から来ている線がGNSS モジュールからの配線です。ピンソケットを経由してシリアルインターフェイスと、1PPS信号取り出し用のBNCコネクタに振り分けました。なお、1PPS信号はポートの保護のために 1kΩの抵抗を通して引き出しました。

▼最終的な状態
同軸ケーブルを用意して準備完了
GNSS モジュールは窓際、あるいは屋外に置かないといけません。一方で 1PPPS 信号は離れた場所で使うので、両者を接続するケーブルが必要になります。そこで、2m の BNCケーブル3本をアダプタで継ぎ足し、全長6mのケーブルにして 1PPS の信号を送るようにしました。そんなことで、モジュール自体はとても小さいのですが、使う時にはかなりの量のケーブルが必要になりました。

このモジュールは u-blox 社から提供されている u-center というソフトで動作確認や設定が出来ます。実際に GNSS を受信している様子が下の画面です。

▼u-center で動作確認 (図をクリックで別窓に拡大)
u-centerの画面
全天の半分しか見通せない状態(左上のSky view参照)なのですが、衛星を20個以上捕捉出来ています。EU のガリレオ、アメリカの GPS,、日本のみちびき (QZSS)、ロシアの GLONASS を同時受信出来ていてなかなか壮観です。

ちなみに設定を変えれば中国の北斗(beiDou)の受信も出来ますが、その場合はどれか(GLONASS?)の受信が出来なくなります。

ところで、こんなにたくさんのGNSS衛星が受信できるなら、日本のみちびきは無くても大丈夫な気がしてきます。位置の決定には受信ソフトが最適な位置関係にある衛星の組み合わせを自動的に選択するのですが、その様子を見ていると、みちびきが天頂付近にあっても選択されないことが結構あります。まあ無いよりはあった方が良いのは間違いありません。

あと、みちびきに関していろんな情報が公開されていますが、これを受信すれば数センチの測位精度がすぐにも得られるような書き方になっている資料がいっぱいあって、なんだかなーと思います。

◆GNSSモジュールの設定
このモジュールは買ったままの状態で u-center に接続すればすぐに GNSS の受信が出来ました。ただ、より多くの衛星を受信するためには設定の修正が必要です。

ということで修正のポイントを以下に書いておきます。なお、うろ覚えで書いた部分もあるので適宜修正していきます。あと、設定後はその内容を Send ボタンで書き込みます。また、次回起動時に有効にするためには、内部のフラッシュ?に書き込む操作が別途必要です。

1.シリアルのボーレート
View - Configration View (Ctrl + F9) - PRT の Baudrate の選定(プルダウン)を115200にする。

2.受信する衛星の種類
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - GNSSを選択
受信メッセージの選択
私の設定は上記の通りです。出来ない組み合わせを選ぶと自動的にチェックが外れます。

3.受信メッセージの設定
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - MSGを選択
受信衛星の選択
これをやらないと、2項で選択しても受信されない衛星があります。
追記:Message は 01-30 NAV-SVINFO に設定(上図は間違っているかも?)
なお、この設定を行うと、TeraTermで受信データーを見ると文字化けする部分があります。バイナリーデーターが流れているのかも知れません。

4.パルス出力の設定
View - ConfigrationViwe (Ctrl + F9) - TP5を選択
Timepulse Settings から設定が可能。とりあえず以下の設定で使用しています。
TP5
アンロックの時は8Hz/50%の出力にしておくと、LEDが高速で点滅するので判り易いと思います。

ロックした時は1Hzで100msだけ消灯するようになります。なおコネクタに出ている信号はLEDが消灯している期間がHighレベルです。Rising Edge on TOS にチェックが入っているので、パルスの立ち上がりタイミングが秒の時刻の開始タイミングになるのだと思います。

なお、ここに高い周波数を設定することも可能なようで、100kHz くらいまではちゃんとパルスが出ていました。10MHz が出せると面白いのでそのうちやってみたいと思います。現在の状態ではケーブルの負荷が重く、さらに1KΩが入っているので、充分にドライブ出来ていない感じです。

◆まとめ
これで現在の(ほぼ)最新のGNSSレシーバーが動くようになりました。測位がとても早く、また 1PPS信号のジッタが 30ns とすごく小さくなっているのが嬉しい進歩です。

使い道はいろいろありますが、久しぶりにルビジウムオシレーターの確度確認でもやってみたいと思います。あとは、高精度RTCのDS3231の精度確認なども短時間に出来そうです。

そんなことでやりたいことはいっぱいあるのですが、おもちゃ病院で持ち帰ったものがいくつかあるので、そちらの処理が先です。

0.96インチ OLED ディスプレイに焼き付きが発生した

化学反応式の自作 CO2 発生装置の表示に、128x64画素の OLED を使っているのですが、その画面に焼き付き現象が目立ち始めてきました。

▼化学反応式CO2発生装置
化学反応式CO2供給装置
圧力の変化グラフ表示などに使っています。

▼表示部拡大
明るさにムラがある
この写真では判り難いですが、画素の明るさが均一ではありません。グラフの折れ線は明るいのですが、25min という文字は明らかに暗くなっています。他にも目盛りの点線など、暗くなっている画素がいっぱいあります。

こういう現象になるのは OLED の焼き付きと考えて間違いありません。そこで、状態を確認するために、画面全体を白で塗り潰すプログラムを作ってみました。
OLED 焼き付きチェック画面の表示プログラム 20190819OledWhiteScreen.txt

▼焼き付きの様子
焼き付きの様子
これは全面に白ベタの表示をさせて、焼き付きの様子を見たものです。見事に焼き付いていて、光っていた時間が長かった画素はそれだけ輝度が下がっています。

念のために新品の OLED、つまり焼き付きの発生していない OLED で同じことをやってみます。

▼新品のOLED
焼き付きの無いOLED
新品の OLED に同じ画面を表示させると、この写真のように均一に光ります。まあ当たり前です。なお、よく見ると僅かに縦線があります。 なお、画面の上の方のやや暗い横縞はダイナミック点灯の影響で暗く写ったもので、肉眼では均一に発光しているように見えます。

◆まとめ
OLED の弱点は焼き付き現象なのですが、こんなに早く劣化が目立つようになるとは思いませんでした。ちなみに、これを動かし始めたのが3月初旬なので、5ケ月間連続点灯させたことになります。時間にすると約3600時間ですが、これでこの記事に書いた程度の劣化(焼き付き)が発生したことになります。

類似品と思われる製品のデーターシートを読むと、OLED の明るさが 50% に低下する点灯時間は10000 時間となっているので、この記事で取り上げているパネルの劣化速度は速すぎる気がします。このところ気温が高いので寿命に悪影響があるのかも知れません。

とりあえずこの装置の表示内容では、焼き付きがあってもあまり問題にはなりません。ただ、あまりみっともない姿を晒すのもいやなので、何か対策を考えたいと思います。

案としては、人感センサー付けて人が近付いた時だけ表示する。あるいは部屋の明るさに連動して表示の明るさをコントロールし、更に夜間は完全に消灯させるようにして、累積の発光量を少なくするのが効果ありそうです。ただ、後者の対策をやるには、OLED の表示の明るさをソフトで調整する必要があります。コントローラーチップ(SSD1306)のレジスタをいじればそういうことが出来たような気がするので、今度調べてみたいと思います。

ドライブレコーダーの発生ノイズ調査

◆まえがき
先月に中華なドライブレコーダーの電源アダプタのノイズ対策を行いましたが、どうも効果は不完全だったようで、地デジへの妨害がまだ残っています。

次の対策として電源ケーブルのシールドケーブル化を考えていたのですが、前の記事への 丸かさん のコメントを読むと、電源ケーブルが犯人では無さそうな感じです。このあたりをもう少しはっきりさせてから、次の対策を打った方が良さそうです。

◆モバイルバッテリーを使って調査
そんなことで、簡単に出来る調査ということで、モバイルバッテリーを使ってドラレコを動かし、地デジへの妨害(フルセグからワンセグに切り替わる)の様子を調べてみました。ここで使うモバイルバッテリーは日本の信頼出来るメーカーの製品で、以前ノイズの測定を行ったことがありますが、ほとんどノイズが出ない物を使いました。(BUFFAROの5200mAhのモバブです)

▼ドラレコをモバイルバッテリーで動かす
ドラレコを別配線のモバイルバッテリーで動かす
ドラレコに接続されている線を全部外し、モバイルバッテリーだけで動かしてみました。なお、テストするのは電波が弱くて、地デジがワンセグに切り替わってしまう場所で行います。なお、モバイルバッテリーからドラレコへの電源供給はmini-USBのケーブルを使いました。

こうすれば電源ケーブルがフロントガラスの上辺を通過しなくなるので、地デジへの妨害は無くなると思ったのですが、、状況は改善しませんでした。つまり地デジへの妨害は無くなりませんでした。

うーん、ということはドラレコの電源ケーブルが犯人ではなかったことになります。更に確認のためにドラレコをフロントガラスから外して手元に置いてみます。

▼ドラレコをフロントガラスから取り外す
ドラレコを手元に置いてモバイルバッテリーで動かす
同時にUSBの電源線もいっぱいに巻き取って長さを最小限にします。

この状態にしても地デジへの妨害は無くなりませんでした。念のためにモバイルバッテリーの電源を切ると、地デジへの妨害は無くなったフルセグで受信出来るようになりました。いろいろやってみると、ドラレコ本体が車内にあれば地デジへ妨害が入りました。

◆この結果から言えること
どうもドラレコの本体からノイズが出ていて、それが地デジの電波に妨害を与えているようです。

ドラレコでは動画の圧縮と記録を行っているので、内部には高速デジタル信号がいっぱいあり、これが漏れていると考えられます。ちゃんとした製品なら、問題にならないレベルになるように設計、対策が行われているのですが、このあたりがいい加減に作られているみたいです。

対策としては、ドラレコを分解してシールドの強化をやるしかないと思いますが、うまくいくかどうかはやってみないと判らないです。イメージとしては、ケースの内側に銅箔テープを貼ってシールドとし、これを回路のアースに接続すると効果があるはずです。また、液晶はケースをきちんとアースに落とす。それが無理なら銅箔テープを貼ってシールドすると良さそうです。

まあそうは言っても、内部にそういう対策を行うスペースがあるかどうか、それにケースの開け方も判りません。そんなことで本件の対策は一旦保留にしたいと思います。

あと、本体からの輻射ノイズを見るのに、スペアナがあると便利だと思いますが、持ってないんですよね。
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