MEMS加速度計(jì)的GPS終端的低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：鋰電池供電的便攜式GPS定位終端，其待機(jī)時(shí)間是影響產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)主要因素。采用MEMS加速度計(jì)作為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，在后臺(tái)辨別目標(biāo)體的動(dòng)靜狀態(tài)，決定系統(tǒng)CPU工作的工作狀態(tài)，合理配置GPS、GSM各模塊的工作模式，優(yōu)化整個(gè)的節(jié)電工作狀態(tài)，可延長(zhǎng)終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。

引言

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是由美國(guó)建立的一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測(cè)速。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)成熟，大規(guī)模進(jìn)入商用，可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、監(jiān)測(cè)、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。近年來(lái)，在車輛導(dǎo)航、跟蹤和手機(jī)定位等方面得到了廣泛應(yīng)用。

便攜式GPS定位終端采用鋰電池供電，其實(shí)際工作時(shí)間和待機(jī)時(shí)間是關(guān)鍵指標(biāo)。為了延長(zhǎng)其使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間，加大鋰電池容量是一個(gè)辦法，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是鋰電池的體積和重量也增加了，這對(duì)于便攜式終端產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是不可取的，便攜式產(chǎn)品對(duì)外形結(jié)構(gòu)尺寸非常敏感，“寸土寸金”，廠家都希望自己的產(chǎn)品“超薄”。

為了解決GPS便攜終端的功耗問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景以及定位跟蹤目標(biāo)體的特征，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)需要定位，不移動(dòng)可以不定位，保持上一次的定位數(shù)據(jù)即可。本設(shè)計(jì)采用MEMS加速度計(jì)，檢測(cè)目標(biāo)體的移動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，GPS模塊工作并上報(bào)定位數(shù)據(jù)信息，當(dāng)目標(biāo)體不移動(dòng)時(shí)，GPS模塊不工作，也不上報(bào)數(shù)據(jù)。通過(guò)協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，減少各模塊工作時(shí)間，以達(dá)到提高續(xù)航能力、延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間的目的。

1 系統(tǒng)組成與定位終端架構(gòu)

便攜式GPS定位終端可用于目標(biāo)體(人員或車輛)的定位及跟蹤，并具有GSM實(shí)時(shí)上報(bào)定位信息的功能，利用電子地圖可實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)體實(shí)際位置，達(dá)到對(duì)目標(biāo)體(受控人員和重要車輛)進(jìn)行定位跟蹤的目的。整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由前端和后臺(tái)兩部分組成，前端便攜式GPS終端放置于目標(biāo)體，后臺(tái)為智能手機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用軟件。定位GPS終端采用GSM移動(dòng)通信短信方式，把定位位置信息發(fā)送給后臺(tái)手機(jī)，并由后臺(tái)手機(jī)在地圖上顯示。

具體地說(shuō)，便攜式GPS定位終端包括主控制單元ARM7核、GPS接收定位模塊、GSM無(wú)線RF射頻模塊，以及電源管理模塊。其中主控制單元ARM7核和GSM無(wú)線RF射頻模塊采用單芯片MTK6252 GSM模塊，總體架構(gòu)如圖2所示。GPS定位模塊通過(guò)串口把定位數(shù)據(jù)傳送給ARM7，并通過(guò)SMS短信的方式發(fā)送給后臺(tái)。

2 MEMS加速度計(jì)與整機(jī)功耗設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)功耗設(shè)計(jì)

通觀GPS定位終端整機(jī)組成，耗電較大的部分是GPS定位模塊和GSM通信模塊。GPS定位模塊的工作功耗為60 mA(4 V);當(dāng)GSM處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，功耗約為150～200 mA(4 V)。為了使整機(jī)低功耗，增加整機(jī)的待機(jī)時(shí)間，首先應(yīng)盡量選取功耗較低的模塊，其次必須對(duì)各模塊的工作模式進(jìn)行優(yōu)化，不能讓功耗較高的功能模塊長(zhǎng)時(shí)間工作，盡量減少大功耗模塊的實(shí)際運(yùn)行與工作時(shí)間，沒(méi)必要工作時(shí)就讓其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

結(jié)合便攜式定位終端的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)目標(biāo)體移動(dòng)時(shí)，GPS模塊工作，其定位數(shù)據(jù)才有意義;當(dāng)目標(biāo)體不移動(dòng)時(shí)，GPS模塊可以不工作，其位置信息可以沿用之前移動(dòng)最后一瞬間的信息。因此只要判斷目標(biāo)體是否移動(dòng)，就可決定配置GPS模塊和GSM模塊的工作與睡眠狀態(tài)。

如何判斷目標(biāo)體是否運(yùn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用MEMS加速計(jì)來(lái)檢測(cè)。

2.2 MEMS加速度計(jì)選取與硬件設(shè)計(jì)

隨著MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣，并大量應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域里的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)，如視頻、游戲、手機(jī)與計(jì)步器等。目前MEMS加速度器件廠家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生產(chǎn)的產(chǎn)品也各式各樣。對(duì)于低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)，MEMS加速度計(jì)的選取也應(yīng)采用低功耗器件，否則達(dá)不到省電的目的。

本設(shè)計(jì)選用ST的MEMS加速度傳感器芯片LIS3DH，其具有功耗低、精度和靈敏度高的特點(diǎn)。在全速測(cè)量模式下，功耗為2 μA。它在芯片器件級(jí)達(dá)到了低功耗，更重要的一點(diǎn)是本設(shè)計(jì)用之來(lái)作為智能系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)激活開(kāi)關(guān)，需要作為系統(tǒng)喚醒源，它具有運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和中斷輸出功能。 LIS3DH具有兩個(gè)中斷輸出引腳INT1和INT2，通過(guò)適當(dāng)?shù)呐渲?，?dāng)有運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生中斷信號(hào)，如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，MEMS加速度計(jì)會(huì)提供一個(gè)中斷信號(hào)，可喚醒系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)中MEMS加速度計(jì)負(fù)責(zé)檢測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)(運(yùn)動(dòng)或靜止)，以決定系統(tǒng)個(gè)模塊的工作狀態(tài)(睡眠或喚醒工作)。把MEMS加速度計(jì)作為運(yùn)動(dòng)激活開(kāi)關(guān)，用MEMS加速計(jì)來(lái)檢測(cè)目標(biāo)體的運(yùn)動(dòng)，只要有運(yùn)動(dòng)，并輸出中斷給系統(tǒng)，中斷引腳為處理器提供可靠的喚醒和無(wú)動(dòng)作偵測(cè)信號(hào)，喚醒處理器，并配置GSM模塊和GPS模塊的工作。具體的硬件結(jié)構(gòu)與接口連接關(guān)系如圖4所示，處理器是ARM7EJ-S核，ARM7核與GSM RF射頻部分采用單芯片MTK6252模塊;加速度計(jì)通過(guò)INT1引腳觸發(fā)處理器EINT0外部中斷端口，處理器與加速度計(jì)之間通過(guò)I2C總線接口讀取目標(biāo)體的振動(dòng)數(shù)據(jù);GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)UART接口傳給ARM7處理器;對(duì)于模塊的電源控制通過(guò)ARM7處理器的GPIO來(lái)控制。

低功耗設(shè)計(jì)不僅要求器件級(jí)的低電流，而且希望該器件可以精確地開(kāi)啟和關(guān)閉系統(tǒng)功能，從而實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)功耗的智能管理。MEMS加速度不僅自身功耗足夠低，而且可作為運(yùn)動(dòng)開(kāi)關(guān)喚醒CPU。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中，CPU參與得越少越有助于降低功耗，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，在物體的動(dòng)靜轉(zhuǎn)換，自動(dòng)進(jìn)行判斷，自動(dòng)檢測(cè)動(dòng)靜狀態(tài)。

MEMS加速度計(jì)的中斷輸出引腳，用于連接系統(tǒng)MCU的中斷輸入。加速度計(jì)可在后臺(tái)偵測(cè)加速度或動(dòng)作，系統(tǒng)CPU保持在省電的睡眠模式，當(dāng)加速度計(jì)偵測(cè)到中斷事件時(shí)，微處理器從睡眠模式被喚醒，查看陔中斷是否須處理，并作出進(jìn)一步的處理。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整機(jī)功耗設(shè)計(jì)，主要是以MEMS加速度計(jì)作為運(yùn)動(dòng)開(kāi)關(guān)喚醒系統(tǒng)CPU，合理地配置GPS、GSM各模塊的工作、睡眠、待機(jī)模式，盡量減少其工作耗電時(shí)間。為了避免誤檢，防止傳感器不必要地開(kāi)啟系統(tǒng)從而縮短電池壽命，當(dāng)MEMS加速度計(jì)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生喚醒CPU中斷后，CPU可以進(jìn)一步查詢MEMS加速度值，進(jìn)行確認(rèn)，達(dá)到“雙保險(xiǎn)”。整個(gè)軟件流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 目標(biāo)體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

對(duì)于MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)，最主要的一點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)判據(jù)的確定，人體運(yùn)動(dòng)與車輛運(yùn)動(dòng)不一樣，人體行走與奔跑不一樣，反映在加速度的變化上也不一樣，有些幅度大，有些幅度小;另外加速度計(jì)的放置也有關(guān)系，會(huì)影響到三個(gè)坐標(biāo)的值。基于眾多因素的考慮，需要大量實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，尤其是閾值問(wèn)題。不過(guò)好在本系統(tǒng)不需要精密地、定量地檢測(cè)目標(biāo)體的振動(dòng)量，只需要分清靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，找出一個(gè)合適的閾值，給出運(yùn)動(dòng)與靜止的界限。

圖6是一個(gè)典型的目標(biāo)體靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各軸加速度檢測(cè)值圖。圖中前半部分與后半部分裝置放置方向不同，前半部分裝置Z軸與加速度芯片Z軸一致朝下，后半部分X軸朝下。從圖和數(shù)據(jù)可以看出閾值大約為0.4 m/s2，超過(guò)這個(gè)值就可認(rèn)力運(yùn)動(dòng)了。

為了更清晰明了地表示加速度值，可以對(duì)所采的三軸加速度值進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)值處理能得到比較清楚的數(shù)據(jù)和圖形，并可方便地看出閾值，如圖7所示。從圖中更清楚地看出閾值為0.4 m/s2。

閾值的選取需要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景，多次實(shí)驗(yàn)，找出最合適的量，以避免誤報(bào)(多報(bào)或者缺報(bào))的情況。

3.2 整機(jī)待機(jī)情況

本機(jī)采用鋰電池供電，工作電壓為3.3～4.2 V，結(jié)構(gòu)所允許范圍內(nèi)電池容量為1500 mAh，GPS定位模塊的工作功耗為60mA(4 V)，GSM發(fā)射狀態(tài)時(shí)功耗約為150～200 mA(4 V)，在沒(méi)有采用MEMS加速度計(jì)省電設(shè)計(jì)時(shí)，大約工作6個(gè)多小時(shí)。采用MEMS加速度計(jì)低功耗設(shè)計(jì)，可以明顯節(jié)電，只有目標(biāo)體運(yùn)動(dòng)時(shí)消耗大電流;經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試，待機(jī)時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)6小時(shí)，按每天目標(biāo)體運(yùn)動(dòng)2小時(shí)的場(chǎng)景，可待機(jī)3～4天;結(jié)合其他的省電方案，如長(zhǎng)時(shí)間間隔數(shù)據(jù)傳輸，還可以待機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間，這樣即可達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的要求。

結(jié)語(yǔ)

本文采用MEMS加速度計(jì)作為運(yùn)動(dòng)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，辨別便攜式GPS定位終端所在目標(biāo)體的動(dòng)靜狀態(tài)，并由此決定是否喚醒系統(tǒng)CPU工作，合理配置GPS、GSM各功耗較大模塊的工作時(shí)間，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)低功耗，延長(zhǎng)鋰電池供電待機(jī)時(shí)長(zhǎng)，可以實(shí)際應(yīng)用。