使用Maxim的超低功耗GPS解決方案延長電池壽命

將 GPS 功能添加到車輛跟蹤器、資產(chǎn)跟蹤器或物聯(lián)網(wǎng)傳感器等電池供電設(shè)備的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命縮短。幾乎在所有情況下，增加電池尺寸以延長運行時間都不是一種選擇，因為這會增加可穿戴設(shè)備的尺寸、重量和成本。

為了降低 GPS 接收器的功耗，大多數(shù)設(shè)計在需要接收器的位置之前保持接收器關(guān)閉。當(dāng)接收器從所謂的“冷啟動”中醒來時，它會獲取并鎖定衛(wèi)星信號，提取包含衛(wèi)星軌道和原子鐘偏差信息（星歷數(shù)據(jù)）的導(dǎo)航電文，并以最少4個衛(wèi)星信號，可確定位置和時間。然而，由于導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)速率較低，為 50 位/秒，因此接收器必須通電幾秒鐘才能接收廣播數(shù)據(jù)，通常為 28 秒或更長。只有這樣，接收器才能計算其位置。

幫助延長電池壽命的一種方法是減少接收器在計算位置之前的開啟時間?？煺战邮掌髡沁@樣做的。在快照接收器實現(xiàn)中，接收器的開啟時間不足以接收和解碼星歷數(shù)據(jù)。相反，來自云端服務(wù)器的長達(dá) 28 天的星歷數(shù)據(jù)被預(yù)加載到接收器中，使其能夠在幾秒鐘內(nèi)喚醒并報告其位置。接收器開啟時間的減少可以將電池壽命延長一個數(shù)量級，使其非常適合電池壽命一直是采用 GPS 技術(shù)的障礙的應(yīng)用。

此快照實施基于 2015 年授予位于阿爾伯塔省卡爾加里的 Baseband Technologies Inc 的專利。Maxim 與 BTI 合作，現(xiàn)在提供完整的 GPS 解決方案，使用 MAX2769C GNSS L1 接收器和運行 BTI 固件的 MAX32632 ARM Cortex M4 微控制器。

圖 1. 使用 MAX2769C 和 MAX32632 實現(xiàn)快照接收器

將接收衛(wèi)星信號以獲取位置坐標(biāo)的過程視為三個步驟是有幫助的：信號捕獲、信號處理和位置估計，如圖 1所示。除了低功耗之外，Maxim/BTI 解決方案還提供了通過卸載到云服務(wù)器在板上或板外執(zhí)行信號處理和位置估計步驟的靈活性。這可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗和成本。

除了快照算法的省電特性外，MAX32632 靈活的電源模式、智能外設(shè)管理單元 (PMU)、動態(tài)時鐘門控和固件控制的電源門控功能進(jìn)一步降低了 GPS 系統(tǒng)的功耗.

為了說明快照接收器的節(jié)能效果，圖 2比較了 Maxim/BTI GPS 解決方案與市售“低功耗”接收器模塊的能源使用情況。兩個接收器每小時打開一次以接收衛(wèi)星信號、計算位置并無線傳輸它們的位置。條形的灰色部分是無線部分傳輸位置所需的能量，并且對于兩種解決方案都是相同的。另一方面，Maxim 系統(tǒng)進(jìn)行定位和下載星歷所需的能量不到 20uWh，而競爭對手則消耗 170uWh，即 9 倍以上的能量。

圖 2. Maxim GPS 系統(tǒng)與競爭對手的能耗對比

快照接收器的另一個特點是它能夠指定采集窗口，或捕獲衛(wèi)星信號的時間。較長的捕獲窗口確實提高了位置精度，但也增加了要處理的數(shù)字樣本的數(shù)量，從而增加了功耗。該固件允許 4ms、6ms、8ms、10ms、16ms、22ms 和 30 毫秒的采集窗口。表 1列出了 Maxim/BTI GPS 解決方案在各種采集窗口以及每分鐘一次和每小時一次位置更新的功耗表 1：Maxim/BTI GPS 解決方案的功耗

使用上述數(shù)據(jù)，可以輕松計算出 100mAh 紐扣電池的使用壽命。如圖 3 所示，根據(jù)捕獲窗口的不同，100mAh 紐扣電池可以使用長達(dá) 13 個月

圖 3. 對于一次/小時的露天應(yīng)用，100mAh 電池可以使用 13 個月

總之，Maxim的快照 GPS 接收器的功耗比傳統(tǒng)的跟蹤 GPS 接收器低得多，非常適合電池壽命非常重要的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用