MEMS加速度计的GPS终端的低功耗系统设计

　　引言

　　全球定位系统GPS(Global Positioning System)是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速。GPS卫星定位技术已经成熟，大规模进入商用，可广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域。近年来，在车辆导航、跟踪和手机定位等方面得到了广泛应用。

　　便携式GPS定位终端采用锂电池供电，其实际工作时间和待机时间是关键指标。为了延长其使用时间和待机时间，加大锂电池容量是一个办法，但随之而来的问题是锂电池的体积和重量也增加了，这对于便携式终端产品来说是不可取的，便携式产品对外形结构尺寸非常敏感，“寸土寸金”，厂家都希望自己的产品“超薄”。

　　为了解决GPS便携终端的功耗问题，根据实际应用场景以及定位跟踪目标体的特征，当目标移动时需要定位，不移动可以不定位，保持上一次的定位数据即可。本设计采用MEMS加速度计，检测目标体的移动或静止状态，当目标移动时，GPS模块工作并上报定位数据信息，当目标体不移动时，GPS模块不工作，也不上报数据。通过协调各模块之间的工作，减少各模块工作时间，以达到提高续航能力、延长待机时间的目的。

　　1 系统组成与定位终端架构

　　便携式GPS定位终端可用于目标体(人员或车辆)的定位及跟踪，并具有GSM实时上报定位信息的功能，利用电子地图可实时显示目标体实际位置，达到对目标体(受控人员和重要车辆)进行定位跟踪的目的。整个系统如图1所示，系统由前端和后台两部分组成，前端便携式GPS终端放置于目标体，后台为智能手机及其相关应用软件。定位GPS终端采用GSM移动通信短信方式，把定位位置信息发送给后台手机，并由后台手机在地图上显示。

　　具体地说，便携式GPS定位终端包括主控制单元ARM7核、GPS接收定位模块、GSM无线RF射频模块，以及电源管理模块。其中主控制单元ARM7核和GSM无线RF射频模块采用单芯片MTK6252 GSM模块，总体架构如图2所示。GPS定位模块通过串口把定位数据传送给ARM7，并通过SMS短信的方式发送给后台。

　　2 MEMS加速度计与整机功耗设计

　　2.1 整机功耗设计

　　通观GPS定位终端整机组成，耗电较大的部分是GPS定位模块和GSM通信模块。GPS定位模块的工作功耗为60 mA(4 V)；当GSM处于发射状态时，功耗约为150～200 mA(4 V)。为了使整机低功耗，增加整机的待机时间，首先应尽量选取功耗较低的模块，其次必须对各模块的工作模式进行优化，不能让功耗较高的功能模块长时间工作，尽量减少大功耗模块的实际运行与工作时间，没必要工作时就让其进入睡眠状态。

　　结合便携式定位终端的实际应用场景，当目标体移动时，GPS模块工作，其定位数据才有意义；当目标体不移动时，GPS模块可以不工作，其位置信息可以沿用之前移动最后一瞬间的信息。因此只要判断目标体是否移动，就可决定配置GPS模块和GSM模块的工作与睡眠状态。

　　如何判断目标体是否运动，本设计采用MEMS加速计来检测。

　　2.2 MEMS加速度计选取与硬件设计

　　随着MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度计的应用越来越广，并大量应用于消费电子领域里的运动感应，如视频、游戏、手机与计步器等。目前MEMS加速度器件厂家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生产的产品也各式各样。对于低功耗系统设计，MEMS加速度计的选取也应采用低功耗器件，否则达不到省电的目的。

　　本设计选用ST的MEMS加速度传感器芯片LIS3DH，其具有功耗低、精度和灵敏度高的特点。在全速测量模式下，功耗为2 μA。它在芯片器件级达到了低功耗，更重要的一点是本设计用之来作为智能系统的运动激活开关，需要作为系统唤醒源，它具有运动检测和中断输出功能。 LIS3DH具有两个中断输出引脚INT1和INT2，通过适当的配置，当有运动时，将产生中断信号，如图3所示。当系统运动时，MEMS加速度计会提供一个中断信号，可唤醒系统。

　　本设计中MEMS加速度计负责检测目标的状态(运动或静止)，以决定系统个模块的工作状态(睡眠或唤醒工作)。把MEMS加速度计作为运动激活开关，用MEMS加速计来检测目标体的运动，只要有运动，并输出中断给系统，中断引脚为处理器提供可靠的唤醒和无动作侦测信号，唤醒处理器，并配置GSM模块和GPS模块的工作。具体的硬件结构与接口连接关系如图4所示，处理器是ARM7EJ-S核，ARM7核与GSM RF射频部分采用单芯片MTK6252模块；加速度计通过INT1引脚触发处理器EINT0外部中断端口，处理器与加速度计之间通过I2C总线接口读取目标体的振动数据；GPS接收机的数据通过UART接口传给ARM7处理器；对于模块的电源控制通过ARM7处理器的GPIO来控制。

　　低功耗设计不仅要求器件级的低电流，而且希望该器件可以精确地开启和关闭系统功能，从而实现总系统功耗的智能管理。MEMS加速度计不仅自身功耗足够低，而且可作为运动开关唤醒CPU。在整个系统运行中，CPU参与得越少越有助于降低功耗，减轻了CPU的负担，在物体的动静转换，自动进行判断，自动检测动静状态。

　　MEMS加速度计的中断输出引脚，用于连接系统MCU的中断输入。加速度计可在后台侦测加速度或动作，系统CPU保持在省电的睡眠模式，当加速度计侦测到中断事件时，微处理器从睡眠模式被唤醒，查看陔中断是否须处理，并作出进一步的处理。

　　2.3 软件设计

　　根据系统整机功耗设计，主要是以MEMS加速度计作为运动开关唤醒系统CPU，合理地配置GPS、GSM各模块的工作、睡眠、待机模式，尽量减少其工作耗电时间。为了避免误检，防止传感器不必要地开启系统从而缩短电池寿命，当MEMS加速度计检测到运动并产生唤醒CPU中断后，CPU可以进一步查询MEMS加速度值，进行确认，达到“双保险”。整个软件流程图如图5所示。

　　3 实验与分析

　　3.1 目标体运动检测

　　对于MEMS加速度计设计，最主要的一点是运动判据的确定，人体运动与车辆运动不一样，人体行走与奔跑不一样，反映在加速度的变化上也不一样，有些幅度大，有些幅度小；另外加速度计的放置也有关系，会影响到三个坐标的值。基于众多因素的考虑，需要大量实验来确定，尤其是阈值问题。不过好在本系统不需要精密地、定量地检测目标体的振动量，只需要分清静止状态和运动状态，找出一个合适的阈值，给出运动与静止的界限。

　　图6是一个典型的目标体静止状态和运动状态下各轴加速度检测值图。图中前半部分与后半部分装置放置方向不同，前半部分装置Z轴与加速度芯片Z轴一致朝下，后半部分X轴朝下。从图和数据可以看出阈值大约为0.4 m/s2，超过这个值就可认力运动了。

　　为了更清晰明了地表示加速度值，可以对所采的三轴加速度值进行适当的数值处理能得到比较清楚的数据和图形，并可方便地看出阈值，如图7所示。从图中更清楚地看出阈值为0.4 m/s2。

　　阈值的选取需要结合具体的应用场景，多次实验，找出最合适的量，以避免误报(多报或者缺报)的情况。

　　3.2 整机待机情况

　　本机采用锂电池供电，工作电压为3.3～4.2 V，结构所允许范围内电池容量为1500 mAh，GPS定位模块的工作功耗为60mA(4 V)，GSM发射状态时功耗约为150～200 mA(4 V)，在没有采用MEMS加速度计省电设计时，大约工作6个多小时。采用MEMS加速度计低功耗设计，可以明显节电，只有目标体运动时消耗大电流；经过实际应用场景测试，待机时间远超过6小时，按每天目标体运动2小时的场景，可待机3～4天；结合其他的省电方案，如长时间间隔数据传输，还可以待机更长时间，这样即可达到实际运用的要求。

　　结语

　　本文采用MEMS加速度计作为运动检测开关，辨别便携式GPS定位终端所在目标体的动静状态，并由此决定是否唤醒系统CPU工作，合理配置GPS、GSM各功耗较大模块的工作时间，达到整个系统低功耗，延长锂电池供电待机时长，可以实际应用。

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