MEMS加速度計的GPS終端的低功耗系統(tǒng)設(shè)計

摘要：鋰電池供電的便攜式GPS定位終端，其待機(jī)時間是影響產(chǎn)品實際應(yīng)用的一個主要因素。采用MEMS加速度計作為運動檢測開關(guān)，在后臺辨別目標(biāo)體的動靜狀態(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)化整個的節(jié)電工作狀態(tài)，可延長終端待機(jī)時長。

引言

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是由美國建立的一個衛(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)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導(dǎo)航定位和測速。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、測繪、監(jiān)測、授時、通信等多種領(lǐng)域。近年來，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，其實際工作時間和待機(jī)時間是關(guān)鍵指標(biāo)。為了延長其使用時間和待機(jī)時間，加大鋰電池容量是一個辦法，但隨之而來的問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)品來說是不可取的，便攜式產(chǎn)品對外形結(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便攜終端的功耗問題，根據(jù)實際應(yīng)用場景以及定位跟蹤目標(biāo)體的特征，當(dāng)目標(biāo)移動時需要定位，不移動可以不定位，保持上一次的定位數(shù)據(jù)即可。本設(shè)計采用MEMS加速度計，檢測目標(biāo)體的移動或靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)目標(biāo)移動時，GPS模塊工作并上報定位數(shù)據(jù)信息，當(dāng)目標(biāo)體不移動時，GPS模塊不工作，也不上報數(shù)據(jù)。通過協(xié)調(diào)各模塊之間的工作，減少各模塊工作時間，以達(dá)到提高續(xù)航能力、延長待機(jī)時間的目的。

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實時上報定位信息的功能，利用電子地圖可實時顯示目標(biāo)體實際位置，達(dá)到對目標(biāo)體(受控人員和重要車輛)進(jìn)行定位跟蹤的目的。整個系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由前端和后臺兩部分組成，前端便攜式GPS終端放置于目標(biāo)體，后臺為智能手機(jī)及其相關(guān)應(yīng)用軟件。定位GPS終端采用GSM移動通信短信方式，把定位位置信息發(fā)送給后臺手機(jī)，并由后臺手機(jī)在地圖上顯示。

具體地說，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定位模塊通過串口把定位數(shù)據(jù)傳送給ARM7，并通過SMS短信的方式發(fā)送給后臺。

2 MEMS加速度計與整機(jī)功耗設(shè)計

2.1 整機(jī)功耗設(shè)計

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，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)時間，首先應(yīng)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時間工作，盡量減少大功耗模塊的實際運行與工作時間，沒必要工作時就讓其進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

結(jié)合便攜式定位終端的實際應(yīng)用場景，當(dāng)目標(biāo)體移動時，GPS模塊工作，其定位數(shù)據(jù)才有意義;當(dāng)目標(biāo)體不移動時，GPS模塊可以不工作，其位置信息可以沿用之前移動最后一瞬間的信息。因此只要判斷目標(biāo)體是否移動，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)體是否運動，本設(shè)計采用MEMS加速計來檢測。

2.2 MEMS加速度計選取與硬件設(shè)計

隨著MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計的應(yīng)用越來越廣，并大量應(yīng)用于消費電子領(lǐng)域里的運動感應(yīng)，如視頻、游戲、手機(jī)與計步器等。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。對于低功耗系統(tǒng)設(shè)計，MEMS加速度計的選取也應(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。在全速測量模式下，功耗為2 μA。它在芯片器件級達(dá)到了低功耗，更重要的一點是本設(shè)計用之來作為智能系統(tǒng)的運動激活開關(guān)，需要作為系統(tǒng)喚醒源，它具有運動檢測和中斷輸出功能。 LIS3DH具有兩個中斷輸出引腳INT1和INT2，通過適當(dāng)?shù)呐渲?，?dāng)有運動時，將產(chǎn)生中斷信號，如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)運動時，MEMS加速度計會提供一個中斷信號，可喚醒系統(tǒng)。

本設(shè)計中MEMS加速度計負(fù)責(zé)檢測目標(biāo)的狀態(tài)(運動或靜止)，以決定系統(tǒng)個模塊的工作狀態(tài)(睡眠或喚醒工作)。把MEMS加速度計作為運動激活開關(guān)，用MEMS加速計來檢測目標(biāo)體的運動，只要有運動，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動作偵測信號，喚醒處理器，并配置GSM模塊和GPS模塊的工作。具體的硬件結(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;加速度計通過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I2C總線接口讀取目標(biāo)體的振動數(shù)據(jù);GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)通過UART接口傳給ARM7處理器;對于模塊的電源控制通過ARM7處理器的GPIO來控制。

低功耗設(shè)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啟和關(guān)閉系統(tǒng)功能，從而實現(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，而且可作為運動開關(guān)喚醒CPU。在整個系統(tǒng)運行中，CPU參與得越少越有助于降低功耗，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，在物體的動靜轉(zhuǎn)換，自動進(jìn)行判斷，自動檢測動靜狀態(tài)。

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

根據(jù)系統(tǒng)整機(jī)功耗設(shè)計，主要是以MEMS加速度計作為運動開關(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間。為了避免誤檢，防止傳感器不必要地開啟系統(tǒng)從而縮短電池壽命，當(dāng)MEMS加速度計檢測到運動并產(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”。整個軟件流程圖如圖5所示。

3 實驗與分析

3.1 目標(biāo)體運動檢測

對于MEMS加速度計設(shè)計，最主要的一點是運動判據(jù)的確定，人體運動與車輛運動不一樣，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，會影響到三個坐標(biāo)的值。基于眾多因素的考慮，需要大量實驗來確定，尤其是閾值問題。不過好在本系統(tǒng)不需要精密地、定量地檢測目標(biāo)體的振動量，只需要分清靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)，找出一個合適的閾值，給出運動與靜止的界限。

圖6是一個典型的目標(biāo)體靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(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(shù)據(jù)可以看出閾值大約為0.4 m/s2，超過這個值就可認(rèn)力運動了。

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(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)用場景，多次實驗，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(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)時功耗約為150～200 mA(4 V)，在沒有采用MEMS加速度計省電設(shè)計時，大約工作6個多小時。采用MEMS加速度計低功耗設(shè)計，可以明顯節(jié)電，只有目標(biāo)體運動時消耗大電流;經(jīng)過實際應(yīng)用場景測試，待機(jī)時間遠(yuǎn)超過6小時，按每天目標(biāo)體運動2小時的場景，可待機(jī)3～4天;結(jié)合其他的省電方案，如長時間間隔數(shù)據(jù)傳輸，還可以待機(jī)更長時間，這樣即可達(dá)到實際運用的要求。

結(jié)語

本文采用MEMS加速度計作為運動檢測開關(guān)，辨別便攜式GPS定位終端所在目標(biāo)體的動靜狀態(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間，達(dá)到整個系統(tǒng)低功耗，延長鋰電池供電待機(jī)時長，可以實際應(yīng)用。