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，其待機時間是影響產品實際應用的一個主要因素。采用MEMS加速度計作為運動檢測開關，在后臺辨別目標體的動靜狀態，決定系統CPU工作的工作狀態，合理配置GPS、GSM各模塊的工作模式，優化整個的節電工作狀態，可延長終端待機時長。

引言

全球定位系統GPS(Global Positioning System)是由美國建立的一個衛星導航定位系統，利用該系統，用戶可以在全球范圍內實現全天候、連續、實時的三維導航定位和測速。GPS衛星定位技術已經成熟，大規模進入商用，可廣泛應用于導航、測繪、監測、授時、通信等多種領域。近年來，在車輛導航、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，其實際工作時間和待機時間是關鍵指標。為了延長其使用時間和待機時間，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品來說是不可取的，便攜式產品對外形結構尺寸非常敏感，“寸土寸金”，廠家都希望自己的產品“超薄”。

為了解決GPS便攜終端的功耗問題，根據實際應用場景以及定位跟蹤目標體的特征，當目標移動時需要定位，不移動可以不定位，保持上一次的定位數據即可。本設計采用MEMS加速度計，檢測目標體的移動或靜止狀態，當目標移動時，GPS模塊工作并上報定位數據信息，當目標體不移動時，GPS模塊不工作，也不上報數據。通過協調各模塊之間的工作，減少各模塊工作時間，以達到提高續航能力、延長待機時間的目的。

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體實際位置，達到對目標體(受控人員和重要車輛)進行定位跟蹤的目的。整個系統如圖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應用軟件。定位GPS終端采用GSM移動通信短信方式，把定位位置信息發送給后臺手機，并由后臺手機在地圖上顯示。

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，總體架構如圖2所示。GPS定位模塊通過串口把定位數據傳送給ARM7，并通過SMS短信的方式發送給后臺。

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處于發射狀態時，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行優化，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入睡眠狀態。

結合便攜式定位終端的實際應用場景，當目標體移動時，GPS模塊工作，其定位數據才有意義;當目標體不移動時，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。

如何判斷目標體是否運動，本設計采用MEMS加速計來檢測。

2.2 MEMS加速度計選取與硬件設計

隨著MEMS器件成本的大大降低，MEMS加速度計的應用越來越廣，并大量應用于消費電子領域里的運動感應，如視頻、游戲、手機與計步器等。目前MEMS加速度器件廠家很多，如ST Micro、Freescale、ADI、MEMSIC等等，生產的產品也各式各樣。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。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，更重要的一點是本設計用之來作為智能系統的運動激活開關，需要作為系統喚醒源，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，通過適當的配置，當有運動時，將產生中斷信號，如圖3所示。當系統運動時，MEMS加速度計會提供一個中斷信號，可喚醒系統。

本設計中MEMS加速度計負責檢測目標的狀態(運動或靜止)，以決定系統個模塊的工作狀態(睡眠或喚醒工作)。把MEMS加速度計作為運動激活開關，用MEMS加速計來檢測目標體的運動，只要有運動，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。具體的硬件結構與接口連接關系如圖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總線接口讀取目標體的振動數據;GPS接收機的數據通過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閉系統功能，從而實現總系統功耗的智能管理。MEMS加速度不僅自身功耗足夠低，而且可作為運動開關喚醒CPU。在整個系統運行中，CPU參與得越少越有助于降低功耗，減輕了CPU的負擔，在物體的動靜轉換，自動進行判斷，自動檢測動靜狀態。

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，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加速度計作為運動開關喚醒系統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間。為了避免誤檢，防止傳感器不必要地開啟系統從而縮短電池壽命，當MEMS加速度計檢測到運動并產生喚醒CPU中斷后，CPU可以進一步查詢MEMS加速度值，進行確認，達到“雙保險”。整個軟件流程圖如圖5所示。

3 實驗與分析

3.1 目標體運動檢測

對于MEMS加速度計設計，最主要的一點是運動判據的確定，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系，會影響到三個坐標的值。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。不過好在本系統不需要精密地、定量地檢測目標體的振動量，只需要分清靜止狀態和運動狀態，找出一個合適的閾值，給出運動與靜止的界限。

圖6是一個典型的目標體靜止狀態和運動狀態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，超過這個值就可認力運動了。

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發射狀態時功耗約為150～200 mA(4 V)，在沒有采用MEMS加速度計省電設計時，大約工作6個多小時。采用MEMS加速度計低功耗設計，可以明顯節電，只有目標體運動時消耗大電流;經過實際應用場景測試，待機時間遠超過6小時，按每天目標體運動2小時的場景，可待機3～4天;結合其他的省電方案，如長時間間隔數據傳輸，還可以待機更長時間，這樣即可達到實際運用的要求。

結語

本文采用MEMS加速度計作為運動檢測開關，辨別便攜式GPS定位終端所在目標體的動靜狀態，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間，達到整個系統低功耗，延長鋰電池供電待機時長，可以實際應用。