一款超低功耗的北斗救生終端設(shè)計(jì)

北斗系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠提供120個(gè)漢字的通信服務(wù)，利用北斗系統(tǒng)構(gòu)建的搜救營救體系已在地震救災(zāi)、海上漁業(yè)、船舶運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸?shù)忍囟▍^(qū)域環(huán)境中得到應(yīng)用。北斗救生終端作為遇險(xiǎn)人員攜帶的報(bào)警裝置，它的可靠性及使用時(shí)間對搜救行動能否成功有重要的影響。市場上的北斗手持終端通常用鋰電池或USB供電，續(xù)航時(shí)間只有數(shù)個(gè)小時(shí)，對于在偏遠(yuǎn)地區(qū)，因環(huán)境復(fù)雜搜救人員不能及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場而遇險(xiǎn)人員位置軌跡又在變化場合，這么短的續(xù)航時(shí)間無法為成功搜救提供重要保障。目前降低終端功耗的措施主要集中在降低基帶芯片、射頻模塊、晶振等單個(gè)部件的功耗上，文獻(xiàn)提出從整機(jī)的硬件組成FPGA、DSP和LCD等器件的型號選擇及軟件處理上降低整機(jī)功耗的方法，該方法使得救生終端的功耗不到一般用戶機(jī)的一半，然而這些方法更多關(guān)注單個(gè)部件的功耗，忽略了對整機(jī)工作流程的分析，在整機(jī)工作時(shí)并非所有元器件都需要在同一時(shí)間運(yùn)行，對于不需要工作的器件完全可以關(guān)閉它的電源供給來降低功耗，本文依此設(shè)計(jì)整機(jī)電源管理策略、選擇低功耗微處理器并規(guī)劃各個(gè)部件之間的工作時(shí)序來降低功耗。

北斗救生終端組成及工作原理

北斗救生終端主要功能為當(dāng)用戶遇險(xiǎn)時(shí)可以通過終端上的按鍵觸發(fā)報(bào)警，終端首先獲取位置信息，然后將包含位置的求救信息以北斗短報(bào)文的方式發(fā)射出去，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到搜救中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警求救；而在非遇險(xiǎn)情況下，終端始終處于待機(jī)休眠狀態(tài)，由單節(jié)干電池供電，在未使用過報(bào)警功能的前提下，三年內(nèi)無需更換電池進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。從低功耗角度優(yōu)化改進(jìn)文獻(xiàn)提出的救生終端框架設(shè)計(jì)，終端可以劃分為以下幾個(gè)部分：定位模塊、北斗信號發(fā)送模塊、北斗卡、指示燈、按鍵、微處理器，電源管理模塊等，如圖1所示，RNSS定位模塊用于獲取位置、速度、時(shí)間信息，RDSS發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送信號的擴(kuò)頻、低中頻調(diào)制，低中頻數(shù)字信號到大功率射頻信號的轉(zhuǎn)換，大功率入站信號轉(zhuǎn)換為電磁波輻射到北斗衛(wèi)星等功能。MCU是終端的核心器件，負(fù)責(zé)整機(jī)各個(gè)模塊的電源控制、工作流程控制，根據(jù)流程依次啟動各模塊，控制各模塊順序工作。指示燈用于顯示終端當(dāng)前的工作狀態(tài)，例如是否定位成功，是否報(bào)警成功等。各個(gè)功能模塊的工作電壓不同， 需要相應(yīng)的電源管理模塊將電池提供的電壓轉(zhuǎn)化為各個(gè)模塊的工作電壓?；谠撚布Y(jié)構(gòu)的北斗救生終端可以看作為單片機(jī)的一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，那么基于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)方法也同樣適用在本終端中。

圖1 北斗救生終端原理框圖

北斗救生終端的低功耗設(shè)計(jì)

北斗救生終端通常是處于待機(jī)狀態(tài)，由用戶觸發(fā)其工作，因此整機(jī)功耗體現(xiàn)在兩個(gè)方面，終端報(bào)警時(shí)的消耗和待機(jī)時(shí)的消耗。在待機(jī)狀態(tài)下，為了讓整機(jī)功耗最小，關(guān)閉除MCU外所有外設(shè)模塊的電源，并置MCU為低功耗模式，那么待機(jī)狀態(tài)下的功耗就取決于MCU的低功耗模式下的功耗及各個(gè)電源開關(guān)的漏電流大小。終端報(bào)警時(shí)，是按照先定位后報(bào)警的順序依次執(zhí)行的，因此并不需要同時(shí)打開RNSS模塊和RDSS模塊的電源，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)前所處工作狀態(tài)，選擇性地打開相應(yīng)模塊的電源，并在模塊工作完成后立即關(guān)閉該模塊電源，例如當(dāng)終端定位時(shí)，只打開RNSS模塊的電源，RDSS等模塊的電源依然處于關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)定位完成后立即關(guān)閉RNSS模塊的電源；同時(shí)終端報(bào)警時(shí)MCU也并非一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)MCU等待某個(gè)事件的發(fā)生而不處理其他任務(wù)時(shí)可以關(guān)閉MCU的主時(shí)鐘，使MCU處于某一低功耗模式，以降低MCU的功耗。依據(jù)上述原則，從軟硬件兩方面來實(shí)現(xiàn)終端功耗設(shè)計(jì)。

北斗救生終端的硬件低功耗設(shè)計(jì)

MCU的選型及低功耗設(shè)計(jì)

作為北斗救生終端控制單元的核心器件，MCU的選擇對系統(tǒng)的性能及功耗有重大的影響。本終端選用EFM32系列的efm32lg360f256單片機(jī)，它是挪威的Energy Micro 公司推出的超低功耗32位ARM，以Cortex-M3為內(nèi)核，集成了豐富的外設(shè)接口并提供7種低功耗模式，在正常工作模式下耗電量為211uA/MHz，在最低耗Shutoff Mode模式下耗電量僅為20nA。它提供的外設(shè)接口諸如串口、SPI接口、ISO7816接口可以很方便的實(shí)現(xiàn)與定位模塊、RDSS模塊、北斗IC卡之間的信息交互，并且這些接口的時(shí)鐘源相互獨(dú)立，當(dāng)關(guān)閉某個(gè)外設(shè)模塊的電源時(shí)，也可以關(guān)閉對應(yīng)接口的時(shí)鐘源以降低功耗。

在本設(shè)計(jì)中MCU選用了其中的三種低功耗模式，分別為20nA的Shutoff Mode、63uA/MHz的Deep Sleep Mode、211uA/MHZ的Run Mode。Shutoff Mode主要用在終端長期不工作休眠的狀態(tài)下，此時(shí)所有外設(shè)模塊電源關(guān)閉，MCU的所有時(shí)鐘關(guān)閉，RAM中內(nèi)容丟失，寄存器中內(nèi)容丟失、IO引腳狀態(tài)保持，在該模式下整個(gè)終端經(jīng)實(shí)測待機(jī)電流為20μA。Deep Sleep模式主要用在終端報(bào)警而MCU無任務(wù)操作僅為等待時(shí)間或事件發(fā)生的場合，該模式下僅關(guān)閉了MCU的內(nèi)核時(shí)鐘，其他外圍接口依然可以正常工作，例如關(guān)閉內(nèi)核時(shí)鐘后依然可以接收定位模塊發(fā)送來的位置，時(shí)間信息。當(dāng)終端報(bào)警需要MCU做相應(yīng)控制和運(yùn)算時(shí)，MCU處于Run Mode，該模式下MCU的功耗取決于主時(shí)鐘的工作頻率，頻率越高，功耗越大，但如果選用的頻率太低又會增加MCU處理任務(wù)的時(shí)間，反而增加了功耗，efm32lg360f256芯片的最高主頻可以達(dá)到48MHz，本設(shè)計(jì)中綜合考慮功耗和任務(wù)處理速度兩因素，配置MCU的主頻為14MHz，不包括外設(shè)模塊及相應(yīng)接口的功耗，MCU在該模式下電流約為2mA。

電源電路的低功耗設(shè)計(jì)

本終端采用電壓為3.6V的干電池為其供電，而各外圍模塊的工作電壓不同，例如定位模塊的工作電壓為3.3V，RDSS模塊中FPGA的供電電壓和引腳電壓分別為1.2V、2.8V，本設(shè)計(jì)中采用TI公司的線性穩(wěn)壓電源芯片將電池電壓轉(zhuǎn)換為各路不同的電壓值，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)分時(shí)供電，降低終端功耗，本設(shè)計(jì)中將終端電源劃分為兩個(gè)層次，總電源和各個(gè)模塊獨(dú)立電源。各模塊電源都受獨(dú)立的開關(guān)控制，并且只有當(dāng)總電源開關(guān)及對應(yīng)模塊電源開關(guān)都打開時(shí)，該模塊才會被供電，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)的方法為各線性穩(wěn)壓電源由總電源供電，當(dāng)總電源開關(guān)斷開時(shí)，電壓轉(zhuǎn)換芯片停止工作。該方法不僅關(guān)閉了外設(shè)模塊電源還關(guān)閉了各電源穩(wěn)壓芯片的電源，從而將休眠狀態(tài)下外設(shè)功耗降至最低。

由MCU的引腳高低電平?jīng)Q定各模塊電源開關(guān)的通斷，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，應(yīng)保證其漏電流足夠小，本設(shè)計(jì)中選用的電源開關(guān)型號為CSD23203W。

RNSS模塊低功耗設(shè)計(jì)

為簡化設(shè)計(jì)，減小終端體積，選用u-blox的最小獨(dú)立式定位模塊EVA-M8M作為 位置、時(shí)間信息獲取模塊，該模塊支持美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗、日本的QZSS以及SBAS延伸系統(tǒng)，直接接無源天線，冷啟動時(shí)間30s，溫啟動3s，在主電源斷電，備份電源工作條件下，星歷保持，待機(jī)電流15μA，該特性在連續(xù)報(bào)警定位情況下能夠大大降低終端定位所需要的功耗。

針對u-blox模塊低功耗特性，本設(shè)計(jì)中對該模塊采用兩路供電方式，主電源和備份電源，在進(jìn)行定位時(shí)同時(shí)打開主電源和備份電源，獲取定位信息后關(guān)閉主電源，保持備份電源，這樣在等待IC卡的工作頻度到達(dá)的時(shí)間內(nèi)，模塊能夠保持星歷信息，減少下次定位時(shí)間。

圖2 各模塊電源控制框圖

北斗救生終端的軟件低功耗設(shè)計(jì)

上述的硬件低功耗措施需要軟件配合才能到達(dá)降低系統(tǒng)功耗的目的，對于該終端的軟件設(shè)計(jì)需考慮以下幾個(gè)方面，對MCU的各個(gè)低功耗模式進(jìn)行合理的切換；對外圍模塊的供電進(jìn)行分時(shí)分區(qū)控制；對于閑置懸空的IO引腳，將其配置為輸出置零狀態(tài)；根據(jù)需要打開或關(guān)閉外設(shè)接口時(shí)鐘； 縮短MCU內(nèi)核運(yùn)行時(shí)間?？s短MCU內(nèi)核運(yùn)行時(shí)間的方法主要有以下幾點(diǎn)：

（1）用低功耗定時(shí)器代替軟件指令循環(huán)定時(shí)

軟件指令循環(huán)定時(shí)會一直占用MCU內(nèi)核這樣不僅降低終端的響應(yīng)速度更是增加了不必要的功耗浪費(fèi)，efm32lg360f256單片機(jī)集成了低功耗的定時(shí)器，通過定時(shí)器定時(shí)可以解除對內(nèi)核的占用，讓MCU處于某一低功耗模式下，定時(shí)時(shí)間到通過中斷喚醒MCU繼續(xù)工作。

（2）用周期查詢方式代替不間斷查詢

當(dāng)MCU處于僅等待某個(gè)事件狀態(tài)發(fā)生而不處理其他任務(wù)時(shí)，設(shè)置一定時(shí)器周期性去查看該事件狀態(tài)標(biāo)志，事件未發(fā)生時(shí)MCU進(jìn)入低功耗，由定時(shí)器喚醒MCU。只需例如等待RNSS模塊定位成功，可以設(shè)置100ms的定時(shí)器，周期性的去查看定位標(biāo)志，如果未成功，MCU便停止內(nèi)核時(shí)鐘進(jìn)入低功耗，100ms時(shí)間到MCU被再次喚醒進(jìn)行標(biāo)志查看。

（3）降低MCU的運(yùn)算量

將浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)值擴(kuò)大一定倍數(shù)后進(jìn)行分?jǐn)?shù)運(yùn)算；計(jì)算的公式中遇到常量數(shù)據(jù)之間乘除時(shí)，可以在外部計(jì)算它們的值，然后將結(jié)果直接代入公式，減少運(yùn)算步驟；使用查表的方式代替實(shí)時(shí)計(jì)算。

北斗救生終端低功耗數(shù)據(jù)分析

終端功耗主要表現(xiàn)在待機(jī)時(shí)功耗和報(bào)警時(shí)功耗，報(bào)警功耗主要體現(xiàn)在定位和發(fā)送短報(bào)文上。實(shí)驗(yàn)測得，終端在待機(jī)，定位，發(fā)送短報(bào)文時(shí)的工作電流如下表1所示，定位時(shí)間會根據(jù)RNSS信號強(qiáng)度而變化，在第一次獲取位置信息后，再次定位是在熱啟動方式下進(jìn)行，定位時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于初次定位時(shí)間；發(fā)送短報(bào)文的時(shí)間與發(fā)送短報(bào)文的長度成正比。那么在終端工作電壓為3.5伏，定位時(shí)間為8秒，發(fā)送短報(bào)文時(shí)間為40毫秒情況下，按照公式1計(jì)算可得單次報(bào)警功耗為3.14焦耳，而單節(jié)電池的能量為1200毫安，考慮自放電及漏電情況下，單節(jié)電池可以提供約11756焦耳的能量，足以提供終端工作在72小時(shí)以上。

其中W 為功耗，U 為工作電壓，I 為工作電流，T為工作時(shí)間。

表1 各工作狀態(tài)下終端電流消耗

結(jié)語

本文從核心控制器件MCU的型號選擇、工作模式控制、外圍元器件工作方式、電源電路的設(shè)計(jì)、MCU內(nèi)核工作時(shí)間等角度描述了本終端的低功耗策略，工程實(shí)踐驗(yàn)證，這些措施能夠有效降低終端的功耗，提高終端的續(xù)航時(shí)間。同時(shí)這些方法具有通用性，具有一定的推廣價(jià)值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.031