MEMS加速度计的GPS终端的低功耗系统设计.docx

加速度计的 终端的低功耗系统设计王国辉（普天信息技术研究院 ，北 京 ）摘要 ：锂 电池供电的便携式 定 位终端 ，其 待机时间是影响产品实际应用的一个主要因素。 采用 加 速度计作 为运动检测开关 ，在 后台辨别目标体的动静状态 ，决 定系统 工作的工作状态 ，合 理配置 、 各模块的工作模 式 ，优 化整个的节电工作状态 ，可 延长终端待机时长。关键词：加 速度计 ；定 位终端 ；低 功耗 中图分类号 ：文献标识码 ： （，）：， ， ，：；引言全球定位 系 统 （）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。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 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 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 加 速 度 计 ，检测目标体的移动或静止状 态 ，当 目标移 动 时 ， 模块工作并上报定位数据信息， 当目标体不移动时 ， 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 。系统组成与定位终端架构便携式 定位终端可用于目标体（人员或车辆）的定 位及跟踪，并具有 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 所示，图 定位系统示意图 年第 期系统由前端和后台两部分组成，前端便携式 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 终端 采用 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 定位终端包括主控制单元 核 、接 收 定 位 模 块 、 无 线 射 频 模 块， 以及电源管 理 模 块。 其中主控制单元 核 和 无线 射频模块采用单芯片 模块 ，总 体 架构如图 所示。 定位模块通过 串口把定位数据传 送给 ，并 通过 短信的方式发送给后台 。图 定位终端总体架构 加速度计与整机功耗设计 整机功耗设计通观 定 位终端整机组 成 ，耗电较大的部分是 定 位模块 和 通 信 模 块。 定 位 模 块 的 工 作 功耗为 （ ）；当 处于发射状态 时 ，功 耗 约 为 （ ）。 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 ，模 块工 作 ，其定位数据才有意义 ；当 目 标 体 不 移 动时 ，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 模 块和 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 加 速 计来检测。 加速度计选取与硬件设计随着 器 件成本 的 大 大 降 低 ， 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 加 速 度 器件厂家很 多 ，如 、 等 等 ，生 产 的 产品也各式各 样。 对于低功耗系统设 计， 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 的 加速度传感器芯片 ，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 。 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。 具有两个中断输出引脚和， 通过适当的配置 ，当 有运 动 时 ，将产生中断信号，如 图 所示。 当系统 运 动 时 ， 加 速 度计会提供一个中断 信号 ，可 唤醒系统。图 运动检测的中断输出信号示意图 本设计中 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 加速度计作为运动激活 开 关 ，用 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 模 块 和 模 块 的 工 作。 具体的硬件 结构与接口连接关系如图 所 示 ，处 理 器 是 核 ，核 与 射频部分采用单芯 片 模块 ；加 速度 计 通 过 引 脚 触 发 处 理 器 外 部中断端口 ，处理器与加速度计之间通过 总线接口读取目 标 体 的 振 动 数 据 ； 接收机的数据通过 接 口 传 给 处 理 器 ；对于模块的电源控 制 通 过 处 理器的 来控制。图 硬件结构与接口连接关系图 敬请登录网站在线投稿 年第 期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。 加 速 度 不 仅 自身功耗足够低 ，而 且 可作为运动开关 唤 醒 。 在整个系统运行中 ， 参 与得越少越有助于降低功耗 ，减 轻了 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 。加 速度计的中断输出引 脚 ，用 于 连 接 系 统 的中断 输 入。 加速度计可在后台侦测加速度或动 作 ，系 统 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 该 中 断 是否须处理 ，并作出进一步的处理 。 软件设计根据系统整机 功 耗 设 计 ，主 要 是 以 加 速 度 计 作为运动开关 唤 醒 系 统 ，合 理 地 配 置 、 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 加 速度计检测到运动并产生唤醒 中断后 ， 可 以 进 一 步 查 询 加 速 度 值 ，进 行 确 认 ，达 到“双 保险”。 整个软件流程图如图 所示。图 系统软件流程图 实验与分析 目标体运动检测对于 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 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 轴 与 加 速 度 芯 片 轴 一 致 朝 下 ，后 半部分 轴 朝 下。 从图和数据可以看 出 阈 值 大 约 为 ，超过这个值就可认为运动了 。图 目标体典型的加速度曲线 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 所 示。 从 图 中 更 清 楚 地看出阈值为 。图 处理后的目标体加速度曲线 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。 整机待机情况本机采用锂电池供电 ，工 作电压为 ，结 构所允许范围内电池容 量 为 ， 定 位 模 块 的 工 作功耗为 （ ）， 发射状态时 功 耗 约 为 （ ），在 没有采用 加速度计省电设计时 ， 大约工作 个 多 小 时。 采 用 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 小 时 ，按 每 天 目 标 体 运动 小 时 的 场 景 ，可 待 机 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。 年第 期（） （； ）改变数组的长度值需改变数字 ， 为数组的长度；（）；图 步进电机波形图 仪表技术与传感器 ，（）结语刘 恒 ，马 建仓 ，张 小 兵 基 于 的点到多点的无线测 通过多次大量实验测试 ，本文设计的无线门禁系 统有较好的实时性和准确 性 ，在 有障碍物条件下 ，数 据 传 输 也 能满足实用性要求 ，达到了预期的设计目标 。参考文献戴 敏 ，谢 椿 基 于 的无线门禁系统的设计 嵌 入 式与 ，（）张 宏等 基 于 单片机与 无线门禁控 制 系 统 的 设 计江苏科技大学学报 ：自 然科学版 ，（）王 旭 ，马 汝建 ，王 洪斌基于 的多点无线测温报警 系统设计济 南大学学报 ：自 然科学版 ，（）丁 恩杰 ，踪 晓 志 基 于 和 无 线 测 温 系 统控系统的设计微电子与计算机 ，（）李 霞 ，郑 恩 让 基 于 的 无线测温报警系统的设计 微 计算机信息 ，（）朱嵘涛（讲 师 ），主 要 研 究 领 域 为 单 片 机 与 嵌 入 式 系 统 ；徐 爱 钧 （教 授），主 要研究领域为 模 糊 控 制 理 论 与 应 用 、智 能 化 仪 器 仪 表 ；叶 传 涛（工 程师），主 要从事测井现场数据采集和研发工作。（责 任编辑 ：高 珍 收稿日期 ：）高 琴 ，刘 淑聪 ，彭 宏伟 步 进电机控制系统的设计及应用 制造业自动化 ，（）结语本文采用 加速度计作为运动检 测 开 关 ，辨 别 便携式 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 工 作 ，合 理 配 置 、 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。参考文献何 科 基 于 网 络的 图 形导航仪单 片机与嵌入 式系统应用 ，（）：高 阳 天 线技 术 及 其 发 展 无 线 通 信 技 术 ，（）： “” ，李 道忠 基 于 加 速 度 计 的强振动记录黑匣子的设计 大地测量与地球动力学 ，（）李 剑 基 于 加速度计的瞬态振动信号采集系统 电子测试 ，（）：（责 任编辑 ：高 珍 收修改稿日期 ：）展示基于 三栅极工艺的 技术公 司展示了基于 三栅极工艺的 技 术。 基 于 的 测 试 芯 片 采 用 了 关 键 知 识 产 权 （）组 件 收发器 、混 合信号 以及数字逻辑 ，这 些组件用在 和 中。与合 作率先开发了基于 的器件 ，采 用了工