一种基于CAT1模组的集成天线的TBOX的制作方法

一种基于cat1模组的集成天线的tbox
技术领域
1.本发明属于汽车网络通讯的技术领域。更具体地，本发明涉及一种基于cat1模组的集成天线的tbox。


背景技术：

2.现有的技术方案均基于2g、4g cat4甚至5g的通讯方式，搭配mcu进行车身can网络连接，实现tbox的数据采集和远程控制等功能。现有技术方案中，2g方案处理能力较弱已不满足整车对通讯速率、业务的处理能力的要求，4g cat4及5g的tbox方案中系统设计繁琐复杂，造成成本升高，不利于形成批量。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于cat1模组的集成天线的tbox，其目的是将cat1 4g通讯模组引入车载行业，实现集成4g天线和gps天线。
4.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
5.本发明的基于cat1模组的集成天线的tbox，所述的cat1模组为4g cat1通讯模组，并在所述的tbox内集成4g天线和gps天线。
6.在所述的4g天线的半径为100mm的球体区域内无金属。
7.在所述的gps天线下方金属面积大于30mm
×
30mm；在gps天线上方120
°
的范围内不能有遮挡物；gps天线与水平水平面的仰角小于15
°
，且该仰角朝向空旷位置。
8.所述的天线模块布置在车辆主驾仪表板内，位于主驾仪表横梁右侧。
9.所述的tbox包括电源模块、接口模块、逻辑处理模块、cat1通讯模块、上层应用模块。
10.所述的cat1通讯模块采用cat1通讯处理器8910dm，支持volte enh及edrx/psm，工作频段涵盖b1、b3、b5、b8、b38、b39、b40、b41、850/900/1800/1900mhz。
11.所述的cat1通讯模块的电路由外围供电电路、时钟晶体、nor flash组成最小系统，并通过射频收发器和前端模块实现无线通讯，通过uart、i2c、spi、sdio的数字接口与其他模块进行命令和数据传输。
12.所述的4g天线和gps天线均为内置天线，其外壳采用abs的塑料材质。
13.所述的gps天线采用陶瓷体天线，在定位芯片at6558外围设计lna、saw、l型和π型滤波器，提供稳定洁净的3.3v供电电源，
14.所述的4g天线采用金属天线+塑胶支架固定的内置天线形式；在射频前端模块后级设计π型滤波电路，对各频段进行滤波处理。
15.所述的逻辑处理模块(mcu)进行电源低功耗管理、通讯电路复位及开关机控制、can数据的采集、基础的业务逻辑判断，包括采集周期设置、上报逻辑、优先级判断；
16.所述的逻辑处理模块(mcu)采用3.3v供电电源，以8mhz晶体为工作时钟，采用rtos实时操作系统。
17.本发明采用上述技术方案，将cat1 4g通讯模组引入车载行业，配合整车结构布置，达到集成4g天线和gps天线的目的；在满足性能的基础上实现天线内置，在降低成本的同时，实现整车轻量化；通过4g cat1模组和mcu配合，实现远程控制、数据采集、远程诊断、ota等功能。
附图说明
18.附图所示内容作简要说明如下：
19.图1是本发明的天线模块布置在车辆主驾仪表板内的结构示意图；
20.图2是本发明的硬件架构框图；
21.图3是本发明的模块结构示意图；
22.图4是cat1通讯模块的构成示意图；
23.图5是内置gps天线设计原理图；
24.图6是内置4g天线设计原理图。
25.图1中标记为：
26.1、仪表横梁，2、tbox。
具体实施方式
27.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
28.如图1、图2所示本发明的结构，为一种基于cat1模组的集成天线的tbox。为了克服现有技术存在的问题和缺陷，实现集成4g天线和gps天线的发明目的，本发明采取的技术方案为：
29.如图1至图6所示，本发明的基于cat1模组的集成天线的tbox，所述的cat1模组为4g cat1通讯模组，并在所述的tbox内集成4g天线和gps天线。
30.本发明在车载行业引入4g cat1通讯模组，并集成所需的4g天线和gps天线，形成一款低成本的无线通讯模块(tbox)，通过4g cat1模组和mcu配合，实现远程控制、数据采集、远程诊断、ota等功能；配合整车结构布置，达到集成4g天线和gps天线的目的；在满足性能的基础上实现天线内置，在降本的同时实现整车轻量化。
31.本发明的创造性分析：
32.1、将4g cat1通信模组引入车载行业：
33.2g网络由于传输速率低、网络不稳定、维护成本高等原因，逐渐被4g版本取代，4g cat4模组由于成本高，相对于远程控制和数据采集等基本功能造成资源和成本浪费，4g cat1模组大量使用于电力等工业领域，对比2g、4g cat1模组和4g cat4模组各项参数，综合评估4g cat1模组非常适合当前汽车行业网联化的需求，遂引入该模组实现远程控制、数据采集等功能。
34.cat1全称为lte ue category1，是3gpp用来衡量用户终端设备的无线性能的标准。2009年3月，3gpp在release8中正式提出lte，并同步推出lte cat1，上/下行峰值速率分别为5/10mbps。cat1基于现有的lte网络，完全复用现有lte资源，不需要增加额外投资；它
有着比nb-iot、2g更好的网络覆盖，更快的速度，更低的延时，又有着比cat4更低的成本，更低的功耗，与nb-iot、5g将成为驱动未来物联网连接技术发展的“三驾马车”。
35.4g cat4、4g cat1及2g的模组参数对比，参见下表：
36.2、配合整车布置位置，实现集成4g天线和gps天线的目的：在保证功能/性能的基础上尽可能实现该方案的轻量化、低成本化，协调整车布置资源寻找布置空间，通过tbox集成4g天线、gps天线实现一个盒子即可完成正常的通讯、远程控制和数据采集上报等功能。
[0037][0038]
布置要求：
[0039]
(1)、满足4g天线的性能要求：在所述的4g天线的半径为100mm的球体区域内无金属。
[0040]
(2)、满足gps天线需求，包括：
[0041]
在所述的gps天线下方的金属面积大于30mm
×
30mm；在gps天线上方120
°
的范围内不能有遮挡物；gps天线尽可能水平放置，仰角要小于15
°
，如果有仰角，仰角最好朝向空旷位置。即gps天线与水平水平面的仰角小于15
°
。
[0042]
布置方案：
[0043]
在图1中，主要包括所述的tbox2及固定该tbox的仪表横梁1。
[0044]
为满足内置的4g天线和gps天线的布置要求，将该模块布置在车辆主驾ip(仪表板)内，主驾仪表横梁右侧，可满足以上布置要求。
[0045]
3、如图2中：
[0046]
1)、4g cat1：通讯模块，负责网络通讯，接收、发送数据；
[0047]
2)、mcu fs32k144：mcu处理器，负责处理整车can信号；
[0048]
3)、main antenna：内置4g天线，为通讯模块提供4g信号；
[0049]
4)、gnss：内置gps天线，为gps模块提供gps定位信号；
[0050]
5)、sim：sim卡片，负责提供上网号码；
[0051]
6)、ldo：电源处理模块，负责为mcu、4g模块提供工作电压；
[0052]
7)、dcdc：负责将整车蓄电池的12v电压转换为各模块工作电压，如5v；
[0053]
8)、can tja1042：负责采集、发送mcu所需或所发的信号。
[0054]
通过4g cat1模组和mcu配合，实现远程控制、数据采集、远程诊断等功能。使用该方案可以实现以下功能，满足客户使用手机app远程控制，查看驾驶行为轨迹等功能。本发明的功能清单参见下表：
[0055][0056]
4、内置天线的cat1-tbox技术方案：
[0057]
如图3所示：
[0058]
1)、逻辑处理模块：即图2中的mcu fs32k144；
[0059]
2)、cat1通讯模块：即图2中的4g cat1通讯模块；
[0060]
3)、电源模块：即图2中的ldo、dcdc模块；
[0061]
4)、can：即图2中的can tja1042。
[0062]
本发明的总体设计框架如下：其主要包含电源模块、接口模块、逻辑处理模块、cat1通讯模块、上层应用模块。
[0063]
所述的cat1通讯模块采用紫光展锐率先推出的cat1通讯处理器春藤8910dm，支持volte enh及edrx/psm，工作频段涵盖b1、b3、b5、b8、b38、b39、b40、b41、850/900/1800/1900mhz，其高可靠、低延时、低功耗、低成本、中速率的技术特点，以及对现有4g基础设施无缝兼容的特性，让它更加适应未来的中速移动物联网需求。
[0064]
如图4所示：
[0065]
1)、电源模块：通讯模块的供电芯片；
[0066]
2)、晶振：通讯模块的晶振；
[0067]
3)、nor：通讯模块的存储模块；
[0068]
4)、基带处理器：即春藤8910dm模块；
[0069]
5)、射频收发器：射频简称rf射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称；
[0070]
6)、射频前端模块：靠近天线部分的设备是射频前端设备。射频前端包括发射通路和接收通路；
[0071]
7)、gnss：gps定位处理模块。
[0072]
所述的cat1通讯电路基于春藤8910dm进行通信协议处理，由外围供电电路、时钟晶体、nor flash组成最小系统，并通过射频收发器和前端模块实现无线通讯，可以通过uart、i2c、spi、sdio等数字接口与其他模块进行命令和数据传输。
[0073]
其中，天线电路包括定位天线和cat1天线，均设计为内置天线，相应的产品外壳采用abs的塑料材质，以减少对射频信号的屏蔽。其中定位天线使用陶瓷体天线，在定位芯片at6558外围需设计lna、saw、l型和π型滤波器，提供稳定洁净的3.3v供电电源，原理设计如下(见图5)：
[0074]
cat1天线采用金属天线+塑胶支架固定的内置天线形式，在射频前端模块后级设计π型滤波电路，针对性的对各频段进行滤波处理(见图6)：
[0075]
逻辑处理模块(mcu)进行电源低功耗管理，通讯电路复位及开关机控制，can数据的采集，基础的业务逻辑判断，如采集周期设置、上报逻辑、优先级判断等。mcu采用3.3v供电，以8mhz晶体工作时钟，采用rtos实时操作系统，保障数据处理时效性。
[0076]
本说明书中的名词注释：
[0077]
(1)、uart：uart是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在该tbox中，用于4g cat1模组和mcu进行数据、指令传输。
[0078]
(2)、i2c：i2c总线是由philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。在该tbox中，用于4g cat1模组和mcu进行数据、指令传输。
[0079]
(3)、spi：spi是串行外设接口(serial peripheral interface)的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为pcb的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如at91rm9200。在该tbox中，用于4g cat1模组和mcu进行数据、指令传输。
[0080]
(4)、sdio：sdio在sd标准上定义了一种外设接口。在该tbox中，用于4g cat1模组和mcu进行数据、指令传输。
[0081]
(5)、lna：低噪声放大器，噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。在该tbox中，用于处理gps天线信号，实现降噪放大信号的作用。
[0082]
(6)、saw：声表面波滤波器-saw是在压电基片材料表面产生并传播，且振幅随着深入基片材料的深度增加而迅速减少的一种弹性波。saw滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器－叉指换能器，分别用作发射换能器和接收换
能器。在该tbox中，用于处理gps天线信号，实现降噪作用。
[0083]
(7)、l型和π型滤波器：整个等效模型的元件有电感l和退耦电容c1。电感l主要作用是扼制电流的跳变，起到稳流的作用。退耦电容c1的主要用于抑制由于sso引起的电压的跳变，起到稳压的作用。lc构成了一个低通滤波器，有效隔离了两个平面之间的中高频噪声。在该tbox中，用于处理gps天线信号，实现降噪作用。
[0084]
(8)、π型滤波器包括两个电容器和一个电感器，它的输入和输出都呈低阻抗。因为器件排布情况而得名，π型电路因为元件多，所以其插入损耗特性比rc型和lc型更好。在该tbox中，用于处理gps天线信号，实现降噪作用。
[0085]
(9)、rtos实时操作系统：实时操作系统(rtos)是指当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制生产过程或对处理系统做出快速响应，调度一切可利用的资源完成实时任务，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。提供及时响应和高可靠性是其主要特点。在该tbox中，4g cat1模组中的操作系统即为rtos，实现数据处理、转发、存储等业务。
[0086]
(10)、volte enh：volte全称为voice over long-term evolution(长期演进语音承载)，意思是一个面向手机和数据终端的高速无线通信标准。它基于ip多媒体子系统(ims)网络，在lte上使用为控制层面(control plane)和语音服务的媒体层面(media plane)特制的配置文件(由gsm协会在prd ir.92中定义)，这使语音服务(控制和媒体层面)作为数据流在lte数据承载网络中传输，而不再需维护和依赖传统的电路交换语音网络。volte的语音和数据容量超过3g umts三倍以上，超过2g gsm六倍以上。因为volte数据包信头比未优化的voip/lte更小，它也更有效地利用了带宽。
[0087]
(11)、edrx/psm：通信芯片的工作模式-edrx(extended drx，扩展不连续接收模式)，就是把网络先开一会、再停一会。开的时候能收到数据，停的时候收不到数据。停的时间从几十秒到几个小时，可以配置。(edrx5分钟间隔的待机功耗在0.2ma左右)；psm(power saving mode：省电模式)，相当于把edrx开关网络的频率放的更低，低至几天打开一次网络。同样，打开网络的时候能收到数据，不打开网络的时候收不到数据。(psm模式下，待机功耗只有微安级别，此时才能做到“一节电池用5年”。)
[0088]
(12)、b1、b3、b5、b8、b38、b39、b40、b41、850/900/1800/1900mhz：网络信号的发射频率，该tbox的该芯片可以在这些频率的网络上正常工作。
[0089]
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。