基于MEMS加速度计的GPS终端系统设计

　　摘要：锂电池供电的便携式GPS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MEMS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CPU工作的工作状态，合理配置GPS、GSM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。

　　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。