一种适用于野外灾害监测的一体化GNSS接收机的制作方法

一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机
技术领域
1.本发明属于卫星接收机射频技术领域，具体涉及一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机的电路组成、布局及电磁屏蔽设计。


背景技术：

2.gnss接收机作为地表位移监测的主要仪器，在地质灾害形变监测领域的份额逐年增加。面对野外灾害监测的多种不利条件，gnss接收机需要从结构、电气和软件方面进行优化，而电气作为结构和软件的硬核，只有电气设计合理了，其结构和软件的设计才有灵魂支持。现有用于地质灾害形变监测的gnss接收机大多采用模块化的架构设计，将主要部件太阳能充电控制器模块、4g模块、gnss接收机通过线缆进行有线连接后放置在电控柜中，并将gnss天线放置在立杆的最顶部，最终形成具有独立功能的gnss接收机监测单元。该监测单元具有现场配置灵活、组网方便的特点，但其可靠性低、成本高、功耗大、安装复杂。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，采用一体化的设计架构，将分体接收机的各个功能模块用精简的集成电路完成，并优化其电路组成和布局，解决产品的电磁和信号干扰、测试、运输、维修等问题，在满足监测功能和性能要求的前提下，精简了产品结构，降低了产品的功耗和成本，提高了产品的可靠性和可维护性。
4.为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，包括带有上腔、下腔的上盖和带有上腔的下盖，所述下盖上安装pcb电路板，所述上盖安装在下盖上、并覆盖pcb电路板，所述上盖上腔安装gnss天线，所述pcb电路板的顶层集成微处理器模块、电源管理模块、太阳能充电控制模块以及gnss板卡或模块，所述pcb电路板的底层集成无线通信模块，所述pcb电路板顶层或底层空余位置集成存储模块，所述下盖外安装无线通信模块的天线，所述上盖外安装有外壳。
5.进一步的，所述gnss天线的pcb板底面设置一圈屏蔽地，与所述上盖上腔密封连接组成屏蔽腔，所述上盖上腔与下腔之间设置上下直通的圆柱形屏蔽室，所述gnss天线的射频连接头穿过圆柱形屏蔽室后插入pcb电路板的射频座上；所述pcb电路板的底层设置一圈屏蔽地，与所述下盖上腔密封连接组成屏蔽腔；所述pcb电路板的顶层单独设置太阳能充电控制模块屏蔽腔和gnss板卡或模块屏蔽腔。
6.进一步的，所述gnss板卡屏蔽腔包括上盒体和下盒体，上盒体和下盒体组装后安装在pcb电路板上；所述gnss板卡的射频连接头和连接器从下盒体预留的出孔伸出后连接到pcb电路板的射频座和连接器上。
7.进一步的，所述pcb电路板、下盒体、上盒体采用螺钉从下向上紧固连接，上盒体螺钉孔不打通；所述pcb电路板的所有开孔位置、射频座和连接器周围均设置屏蔽地。
8.进一步的，所述pcb电路板上太阳能充电控制模块或gnss模块外设置一圈屏蔽地并与屏蔽罩密封连接。
9.进一步的，所述屏蔽罩为铝壳板；所述太阳能充电控制模块对应的pcb电路板底层设置信号测试点。
10.进一步的，所述屏蔽地采用镀金方式，且所述屏蔽地宽度或直径完全覆盖连接位置。
11.进一步的，所述pcb电路板顶层设置可插拔的连接端子，连接端子通过线缆与航空连接器相连，所述航空连接器的防护等级为ip68，用于与外部的电池、太阳能板相连；所述下盖通过螺纹连接或对中杆安装在立杆上。
12.进一步的，所述无线通信模块包括蓝牙模块、lora模块、4g模块，三个模块采用三角布局；所述4g模块的sim卡与存储模块sd卡设置在同一边；所述蓝牙模块、lora模块的天线采用一体化集成棒状天线；所述太阳能充电控制模块远离gnss板卡或模块，且对应的pcb电路板底层设置散热器。
13.进一步的，所述微处理器模块采用stm32l4系列控制器；所述存储模块包括spiflash存储器和sd卡；所述微处理器模块、gnss板卡、无线通信模块中的蓝牙模块为长通电状态，其它的模块为分时工作的方式；所述gnss板卡为多星多频板卡；所述太阳能充电控制模块采用浪涌保护、防反接保护和短路保护电路，并采用光伏电池最大功率点跟踪技术；所述gnss天线为全频段内置高精度天线，包括gps的l1/l2/l5，北斗的b1/b2/b3，glonass的g1/g2，galileo的e1/e2/e5a/e5b频点。
14.本发明的有益效果：
15.本发明提供了一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，将微处理器模块、电源管理模块、存储模块、太阳能充电控制模块、gnss板卡、无线通信模块(如4g模块、lora模块、蓝牙模块)等集成在pcb电路板上，无线通信模块天线均采用外置的方式，可提高恶劣环境下的信号强度。通过对各器件模块合理布局并一体化集成，可有效降低接收机的功耗、生产成本，并提高野外产品的稳定性。
16.本发明提供了一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，将gnss板卡、gnss天线、无线通信模块以及太阳能充电控制模块放置在分立的腔中，通过屏蔽腔、屏蔽地的组合使用，将gnss接收机的各个电磁辐射干扰源从结构上进行隔离，提高电磁屏蔽效果，有效解决一体化gnss接收机的电磁干扰问题。
17.本发明提供了一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，采用一体化的结构设计，接收机通过对中杆与立杆相连，安装方便，结构简单。接收机外壳采用塑料外壳和刚性下盖相结合的方式，抗振性能好，满足ip68的防护等级要求。接收机通过一个ip68等级的航空连接器与外部的电池、太阳能板相连，完成一体化gnss接收机的供电、调试功能。
18.本发明采用一体化的设计架构，将分体接收机的各个功能模块用精简的集成电路设计完成，并优化其电路组成和布局，解决产品设计中的电磁和信号干扰、测试、运输、维修等问题，在满足监测功能和性能要求的前提下，精简了产品结构，降低了产品的功耗和成本，提高了产品的可靠性和可维护性。
附图说明
19.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面
描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明具体实施方式提供的一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机的电路组成图；
21.图2为本发明具体实施方式提供的一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机的电路布局示意图；
22.图3为本发明具体实施方式提供的一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机的结构示意图；
23.附图中包括以下附图标记：
24.1为塑料外壳、2为上盖、3为下盖、4为上盒体、5为下盒体、6为gnss板卡、7为gnss天线、8为pcb电路板、9为4g模块、10为蓝牙模块、11为lora模块、12为太阳能充电控制模块。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细描述。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
27.本发明提供了一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，如图1所示，主要包括微处理器模块、电源管理模块、gnss板卡、存储模块、无线通信模块及天线(如4g、lora或者蓝牙)、太阳能充电控制模块和gnss天线等。
28.微处理器模块用于对所有的模块单元进行调度管理，优选超低功耗高性能的处理器。本实施例中，微处理器采用高性能低功耗的stm32l4系列控制器，具有5个串口可以完成与gnss板卡、各无线通信模块、调试串口等的通信；具备多个spi接口可完成多个存储模块的管理；丰富的ad口和io口完成太阳能板电压、蓄电池电压、充电电流等的采集和监控工作。
29.电源管理模块用于对需要长通电和分时工作的模块进行控制。微处理器模块和、gnss板卡、无线通信模块中的蓝牙模块为长通电状态，其它的模块可配置为分时工作的方式。
30.gnss板卡作为gnss接收机的核心单元，可以选择多星多频板卡，满足高精度要求或者有遮挡地区的需求，对于精度要求不高且通视的应用场合也采用模块的方式。
31.存储模块用于存储参数、软件及卫星的原始数据。该存储模块采用两块存储介质实现，一块存储介质用于存储参数及软件，采用spiflash存储器，另一块存储介质用于存储卫星的原始数据，采用sd卡。
32.无线通信模块用于数据的无线收发、远程配置管理及多传感器联动。本实施例中的无线通信模块包括4g模块、lora模块和蓝牙模块，4g模块主要负责gnss卫星原始数据的定时上报、其它数据和命令的远程交互；lora模块负责接收其它传感器的触发信号，完成多个lora传感器的联动控制；蓝牙模块负责完成现场接收机的参数无线配置、数据信息获取及批量无线测试功能。无线通信模块的天线包括4g天线、lora天线和蓝牙天线，这些天线均采用外置的方式，为节省空间，将lora和蓝牙天线设计成一体化集成的天线。
33.太阳能充电控制模块用于对电池进行充放电管理。本实施例中，太阳能充电控制器采用光伏电池最大功率点跟踪(mppt)技术，可在光照强度变化时，光伏电池一直输出最大功率，以充分利用太阳能。为提高该模块的抗干扰和可靠性能，加入了浪涌保护、防反接保护和短路保护电路。
34.gnss天线为全频段内置高精度天线，包括gps的l1/l2/l5，北斗的b1/b2/b3，glonass的g1/g2，galileo的e1/e2/e5a/e5b等频点。
35.本发明提供的一种适用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，为了实现一体化集成，采用如图2所示的布局，首先该接收机包括带有上腔、下腔的上盖，带有上腔的下盖，上盖、下盖之间安装pcb电路板，pcb电路板的顶层放置在上盖下腔中，pcb电路板的底层放置在下盖上腔中，各器件模块的具体布局如下：
36.(a)通过试验发现，gnss板卡的最大干扰源来自gnss天线，因此必须将gnss板卡和gnss天线在空间上进行隔离。本实施例中，将gnss板卡及gnss天线放置在两个独立的密封结构单元中，gnss天线放置在一体化gnss接收机的最顶部的上盖上腔中，为便于gnss板卡的维护，将gnss板卡放置在pcb电路板的顶层，位于上盖下腔中。
37.(b)微处理器模块作为各模块的调度处理单元，需要通过其管脚状态和晶振的状态对关键信息进行判断，将其放置在pcb电路板的顶层，以方便调试。
38.(c)电源管理模块作为其它模块的生命通道，放置在pcb电路板的顶层，便于调试和维护。
39.(d)无线通信模块放置在pcb电路板的底层，减小其与gnss板卡的电磁干扰。本实施例中，无线通信模块包括蓝牙模块、lora模块、4g模块，为了减少这三个无线通信模块相互之前的干扰，在pcb电路板上可采用三角分布的方式；4g模块的sim卡位置尽量与存储模块的sd卡放置在同一边，以便操作。考虑到野外监测环境信号强度弱，无线通信模块的天线均采用外置的方式，不仅干扰小，而且信号增益大。为了精简外置天线的接口，lora天线、蓝牙天线可采用一体化集成棒状天线设计。
40.(e)太阳能充电控制模块为大电流模块，电流在通过电感时产生的电磁场对gnss板卡的信号也有干扰。将太阳能充电控制模块放在pcb电路板的顶层，布局上应尽量远离gnss板卡。同时，该太阳能充电控制模块的背面不放置其它器件以便放置散热片，降低大充电电流给电路板带来的电磁干扰。
41.(f)存储模块不会对别的模块产生电磁干扰，放置在pcb电路板的顶层、底层均可，sd卡存储器的接口设置在边缘位置，取卡方便。
42.本发明对一体化gnss接收机各器件模块的电磁屏蔽结构进行设计，通过对gnss接收机的各个电磁辐射干扰源进行结构上的隔离，有效解决一体化gnss接收机的电磁干扰问题。在该一体化gnss接收机中，gnss板卡和gnss天线是最大的一对干扰体，其次是无线通信模块，最后是太阳能充电控制模块，将gnss板卡、gnss天线、无线通信模块以及太阳能充电控制模块放置在分立的腔中，满足电磁屏蔽的要求。
43.如图3所示，本实施例中一体化gnss接收机主要包括塑料外壳1、上盖2、下盖3、上盒体4、下盒体5、gnss板卡6、gnss天线7、pcb电路板8、4g模块9、蓝牙模块10、lora模块11、太阳能充电控制模块12等。pcb电路板8是一体化接收机的唯一电路板，通过螺钉安装在下盖3上腔上；上盖2与下盖3通过螺钉连接，上盖2下腔罩住pcb电路板8，上盖2上腔安装gnss天线
7；塑料外壳1安装在下盖3上、罩住上盖2。
44.本实施例中将一体化gnss接收机的结构精简为四个腔：gnss天线屏蔽腔、gnss板卡屏蔽腔、太阳能充电控制模块屏蔽腔、无线通信模块屏蔽腔。其中，gnss天线7的pcb板底部边缘的屏蔽地与上盖2上腔组成gnss天线屏蔽腔；pcb电路板8的顶层与上盖2下腔组成的腔内分别设置gnss板卡6屏蔽腔和太阳能充电控制模块12屏蔽腔；pcb电路板8的底层的最外边缘的屏蔽地与下盖3上腔形成一个屏蔽腔，为无线通信模块屏蔽腔，4g模块9、蓝牙模块10、lora模块11安装在pcb电路板8的底层。每个屏蔽腔的具体设计如下：
45.(a)gnss天线屏蔽腔
46.gnss天线7为全频段内置高精度天线，圆形结构，对外的输出接口为射频连接头。
47.本实施例中，上盖2上腔为圆形结构腔，腔壁为一圈凸台，gnss天线7的pcb板底部板边加一圈屏蔽地，gnss天线7安装在上盖上腔上，且屏蔽地与腔壁进行密封连接构成屏蔽腔。gnss天线7的pcb板屏蔽地处沿周向均匀开孔，上盖2上腔腔壁预留对应的孔，二者通过若干螺钉连接，且gnss天线的pcb板板边的屏蔽地应大于上盖2上腔的凸台的安装宽度。
48.另外，gnss天线7对外的射频连接头采用延长线加射频连接头的方式，上盖2上腔与上盖2下腔设置一个上下直通的圆柱形屏蔽室，将gnss天线的射频连接头穿过圆柱形屏蔽室后插入pcb电路板8上的射频座，该射频座的周围加入屏蔽地，屏蔽地的区域应大于圆柱形屏蔽室的外圆的直径。
49.(b)gnss板卡屏蔽腔
50.gnss板卡屏蔽腔单独设置，为铝材质的长方形盒体，包括上盒体4和下盒体5，二者组装后安装在pcb电路板8上，gnss板卡安装在上、下盒体组成的屏蔽腔中，下盒体5预留gnss板卡对外的射频连接头和连接器的出孔位置，gnss板卡的射频连接头和连接器穿过下盒体5的出孔连接在pcb电路板8的射频座和连接器上。
51.本实施例中，上盒体4和下盒体5的四个角上均开有孔，pcb电路板上也开有对应的孔，螺钉从下向上紧固连接pcb电路板、下盒体、上盒体，上盒体开孔不能为通孔，且pcb电路板所有开孔位置设置屏蔽地，保证好的屏蔽效果。另外，下盒体5与pcb电路板之间留有缝隙便于gnss板卡射频连接头和连接器的安插。下盒体5上射频连接头位置预留圆形的通孔，连接器的位置预留长方形的槽，且圆形通孔、长方形槽边缘设置屏蔽地，pcb电路板上射频座、连接器的位置设置屏蔽地。
52.(c)太阳能充电控制模块屏蔽腔
53.一方面，太阳能充电控制模块为大电流器件，其上的电感在工作过程中会对gnss板卡或模块产生电磁干扰；另一方面，太阳能充电控制模块在工作过程中会产生较大的热量。
54.本实施例中，在pcb电路板上太阳能充电控制模块电路的边缘加一圈屏蔽地环路，并在屏蔽地环路上焊接一个屏蔽罩进行电磁隔离，屏蔽地环路的宽度应大于屏蔽罩的厚度，保证电磁不泄漏。若gnss板卡采用模块的形式也可以采用屏蔽罩进行电磁屏蔽。
55.屏蔽罩优选铝壳板，既可以起到电磁屏蔽效果，又可辅助散热。太阳能充电控模块为较成熟的方案，后期维护少，焊接铝壳板可以有效降低成本。另外，可为太阳能充电控制模块的关键信号加入了测试点，设置在pcb电路板的底层，方便维护。
56.(d)无线通信模块屏蔽腔
57.无线通信模块与gnss板卡、太阳能充电控制模块之间的电磁干扰相对较小，无线通信模块中的4g模块9、蓝牙模块10、lora模块11安装在pcb电路板8的底层，处于pcb电路板底层一圈屏蔽地与下盖3上腔密封连接组成屏蔽腔内。
58.本发明中一体化gnss接收机中pcb电路板8的屏蔽地需要与各器件模块的屏蔽结构进行匹配设计，才能达到电磁屏蔽的效果。如pcb电路板的底层外边缘与下盖接触的边缘设置一圈屏蔽地；pcb电路板与各结构件连接的孔设置一圈屏蔽地；pcb电路板上射频座、连接头等位置也设置屏蔽地。上述实施例中，屏蔽地可采用镀金的方式，宽度或直径完全覆盖连接位置，保证良好密封。
59.本发明用于野外灾害监测的一体化gnss接收机，在野外使用时，将一体化gnss接收机的下盖通过螺纹连接或对中杆等方式安装在立杆上；pcb电路板顶层设置一个可插拔的连接端子，连接端子通过线缆与航空连接器相连，该航空连接器的防护等级为ip68，与外部的电池、太阳能板相连，完成一体化gnss接收机的供电、调试功能。
60.综上所述，本发明通过对一体化gnss接收机的各个功能模块进行合理组成和布局，解决了产品设计中的运输、测试、电磁和信号干扰、维修等问题，在满足监测功能和性能要求的前提下，精简了结构，降低了安装和设计成本，提高了产品的可靠性和可维护性。经多次电磁屏蔽试验，该一体化接收机的组成和布局可有效实现电磁干扰隔离，保证数据完整率达99.67％。
61.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
62.本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。