MEMS加速度計的GPS終端的低功耗系統設計

摘要：鋰電池供電的便攜式GPS定位終端，其待機時(shí)間是影響產(chǎn)品實(shí)際應用的一個(gè)主要因素。采用MEMS加速度計作為運動(dòng)檢測開(kāi)關(guān)，在后臺辨別目標體的動(dòng)靜狀態(tài)，決定系統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)的節電工作狀態(tài)，可延長(cháng)終端待機時(shí)長(cháng)。

引言

全球定位系統GPS(Global Positioning System)是由美國建立的一個(gè)衛星導航定位系統，利用該系統，用戶(hù)可以在全球范圍內實(shí)現全天候、連續、實(shí)時(shí)的三維導航定位和測速。GPS衛星定位技術(shù)已經(jīng)成熟，大規模進(jìn)入商用，可廣泛應用于導航、測繪、監測、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。近年來(lái)，在車(chē)輛導航、跟蹤和手機定位等方面得到了廣泛應用。

便攜式GPS定位終端采用鋰電池供電，其實(shí)際工作時(shí)間和待機時(shí)間是關(guān)鍵指標。為了延長(cháng)其使用時(shí)間和待機時(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)品對外形結構尺寸非常敏感，“寸土寸金”，廠(chǎng)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，根據實(shí)際應用場(chǎng)景以及定位跟蹤目標體的特征，當目標移動(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據即可。本設計采用MEMS加速度計，檢測目標體的移動(dòng)或靜止狀態(tài)，當目標移動(dòng)時(shí)，GPS模塊工作并上報定位數據信息，當目標體不移動(dòng)時(shí)，GPS模塊不工作，也不上報數據。通過(guò)協(xié)調各模塊之間的工作，減少各模塊工作時(shí)間，以達到提高續航能力、延長(cháng)待機時(shí)間的目的。

1 系統組成與定位終端架構

便攜式GPS定位終端可用于目標體(人員或車(chē)輛)的定位及跟蹤，并具有GSM實(shí)時(shí)上報定位信息的功能，利用電子地圖可實(shí)時(shí)顯示目標體實(shí)際位置，達到對目標體(受控人員和重要車(chē)輛)進(jìn)行定位跟蹤的目的。整個(gè)系統如圖1所示，系統由前端和后臺兩部分組成，前端便攜式GPS終端放置于目標體，后臺為智能手機及其相關(guān)應用軟件。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)送給后臺手機，并由后臺手機在地圖上顯示。

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(xiàn)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(xiàn)RF射頻模塊采用單芯片MTK6252 GSM模塊，總體架構如圖2所示。GPS定位模塊通過(guò)串口把定位數據傳送給ARM7，并通過(guò)SMS短信的方式發(fā)送給后臺。

2 MEMS加速度計與整機功耗設計

2.1 整機功耗設計

通觀(guān)GPS定位終端整機組成，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)。為了使整機低功耗，增加整機的待機時(shí)間，首先應盡量選取功耗較低的模塊，其次必須對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(cháng)時(shí)間工作，盡量減少大功耗模塊的實(shí)際運行與工作時(shí)間，沒(méi)必要工作時(shí)就讓其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

結合便攜式定位終端的實(shí)際應用場(chǎng)景，當目標體移動(dòng)時(shí)，GPS模塊工作，其定位數據才有意義;當目標體不移動(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)。

如何判斷目標體是否運動(dòng)，本設計采用MEMS加速計來(lái)檢測。

2.2 MEMS加速度計選取與硬件設計

隨著(zhù)MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計的應用越來(lái)越廣，并大量應用于消費電子領(lǐng)域里的運動(dòng)感應，如視頻、游戲、手機與計步器等。目前MEMS加速度器件廠(chǎng)家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生產(chǎn)的產(chǎn)品也各式各樣。對于低功耗系統設計，MEMS加速度計的選取也應采用低功耗器件，否則達不到省電的目的。

本設計選用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)。在全速測量模式下，功耗為2 μA。它在芯片器件級達到了低功耗，更重要的一點(diǎn)是本設計用之來(lái)作為智能系統的運動(dòng)激活開(kāi)關(guān)，需要作為系統喚醒源，它具有運動(dòng)檢測和中斷輸出功能。 LIS3DH具有兩個(gè)中斷輸出引腳INT1和INT2，通過(guò)適當的配置，當有運動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生中斷信號，如圖3所示。當系統運動(dòng)時(shí)，MEMS加速度計會(huì )提供一個(gè)中斷信號，可喚醒系統。

本設計中MEMS加速度計負責檢測目標的狀態(tài)(運動(dòng)或靜止)，以決定系統個(gè)模塊的工作狀態(tài)(睡眠或喚醒工作)。把MEMS加速度計作為運動(dòng)激活開(kāi)關(guān)，用MEMS加速計來(lái)檢測目標體的運動(dòng)，只要有運動(dòng)，并輸出中斷給系統，中斷引腳為處理器提供可靠的喚醒和無(wú)動(dòng)作偵測信號，喚醒處理器，并配置GSM模塊和GPS模塊的工作。具體的硬件結構與接口連接關(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，處理器與加速度計之間通過(guò)I2C總線(xiàn)接口讀取目標體的振動(dòng)數據;GPS接收機的數據通過(guò)UART接口傳給ARM7處理器;對于模塊的電源控制通過(guò)ARM7處理器的GPIO來(lái)控制。

低功耗設計不僅要求器件級的低電流，而且希望該器件可以精確地開(kāi)啟和關(guān)閉系統功能，從而實(shí)現總系統功耗的智能管理。MEMS加速度不僅自身功耗足夠低，而且可作為運動(dòng)開(kāi)關(guān)喚醒CPU。在整個(gè)系統運行中，CPU參與得越少越有助于降低功耗，減輕了CPU的負擔，在物體的動(dòng)靜轉換，自動(dòng)進(jìn)行判斷，自動(dòng)檢測動(dòng)靜狀態(tài)。

MEMS加速度計的中斷輸出引腳，用于連接系統MCU的中斷輸入。加速度計可在后臺偵測加速度或動(dòng)作，系統CPU保持在省電的睡眠模式，當加速度計偵測到中斷事件時(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 軟件設計

根據系統整機功耗設計，主要是以MEMS加速度計作為運動(dòng)開(kāi)關(guān)喚醒系統CPU，合理地配置GPS、GSM各模塊的工作、睡眠、待機模式，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)啟系統從而縮短電池壽命，當MEMS加速度計檢測到運動(dòng)并產(chǎn)生喚醒CPU中斷后，CPU可以進(jìn)一步查詢(xún)MEMS加速度值，進(jìn)行確認，達到“雙保險”。整個(gè)軟件流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗與分析

3.1 目標體運動(dòng)檢測

對于MEMS加速度計設計，最主要的一點(diǎn)是運動(dòng)判據的確定，人體運動(dòng)與車(chē)輛運動(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;另外加速度計的放置也有關(guān)系，會(huì )影響到三個(gè)坐標的值?；诒姸嘁蛩氐目紤]，需要大量實(shí)驗來(lái)確定，尤其是閾值問(wèn)題。不過(guò)好在本系統不需要精密地、定量地檢測目標體的振動(dòng)量，只需要分清靜止狀態(tài)和運動(dòng)狀態(tài)，找出一個(gè)合適的閾值，給出運動(dòng)與靜止的界限。

圖6是一個(gè)典型的目標體靜止狀態(tài)和運動(dòng)狀態(tài)下各軸加速度檢測值圖。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。從圖和數據可以看出閾值大約為0.4 m/s2，超過(guò)這個(gè)值就可認力運動(dòng)了。

為了更清晰明了地表示加速度值，可以對所采的三軸加速度值進(jìn)行適當的數值處理能得到比較清楚的數據和圖形，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。

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

3.2 整機待機情況

本機采用鋰電池供電，工作電壓為3.3～4.2 V，結構所允許范圍內電池容量為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加速度計省電設計時(shí)，大約工作6個(gè)多小時(shí)。采用MEMS加速度計低功耗設計，可以明顯節電，只有目標體運動(dòng)時(shí)消耗大電流;經(jīng)過(guò)實(shí)際應用場(chǎng)景測試，待機時(shí)間遠超過(guò)6小時(shí)，按每天目標體運動(dòng)2小時(shí)的場(chǎng)景，可待機3～4天;結合其他的省電方案，如長(cháng)時(shí)間間隔數據傳輸，還可以待機更長(cháng)時(shí)間，這樣即可達到實(shí)際運用的要求。

結語(yǔ)

本文采用MEMS加速度計作為運動(dòng)檢測開(kāi)關(guān)，辨別便攜式GPS定位終端所在目標體的動(dòng)靜狀態(tài)，并由此決定是否喚醒系統CPU工作，合理配置GPS、GSM各功耗較大模塊的工作時(shí)間，達到整個(gè)系統低功耗，延長(cháng)鋰電池供電待機時(shí)長(cháng)，可以實(shí)際應用。