一款超低功耗的北斗救生終端設計

一款超低功耗的北斗救生終端設計

北斗系統是我國自主研發的衛星導航定位系統，能夠提供120個漢字的通信服務，利用北斗系統構建的搜救營救體系已在地震救災、海上漁業、船舶運輸、鐵路運輸等特定區域環境中得到應用。北斗救生終端作為遇險人員攜帶的報警裝置，它的可靠性及使用時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，續航時間只有數個小時，對于在偏遠地區，因環境復雜搜救人員不能及時到達現場而遇險人員位置軌跡又在變化場合，這么短的續航時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、晶振等單個部件的功耗上，文獻提出從整機的硬件組成FPGA、DSP和LCD等器件的型號選擇及軟件處理上降低整機功耗的方法，該方法使得救生終端的功耗不到一般用戶機的一半，然而這些方法更多關注單個部件的功耗，忽略了對整機工作流程的分析，在整機工作時并非所有元器件都需要在同一時間運行，對于不需要工作的器件完全可以關閉它的電源供給來降低功耗，本文依此設計整機電源管理策略、選擇低功耗微處理器并規劃各個部件之間的工作時序來降低功耗。

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用戶遇險時可以通過終端上的按鍵觸發報警，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文的方式發射出去，由衛星轉發到搜救中心，實現報警求救；而在非遇險情況下，終端始終處于待機休眠狀態，由單節干電池供電，在未使用過報警功能的前提下，三年內無需更換電池進行設備維護。從低功耗角度優化改進文獻提出的救生終端框架設計，終端可以劃分為以下幾個部分：定位模塊、北斗信號發送模塊、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、時間信息，RDSS發送模塊實現發送信號的擴頻、低中頻調制，低中頻數字信號到大功率射頻信號的轉換，大功率入站信號轉換為電磁波輻射到北斗衛星等功能。MCU是終端的核心器件，負責整機各個模塊的電源控制、工作流程控制，根據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前的工作狀態，例如是否定位成功，是否報警成功等。各個功能模塊的工作電壓不同， 需要相應的電源管理模塊將電池提供的電壓轉化為各個模塊的工作電壓。基于該硬件結構的北斗救生終端可以看作為單片機的一個應用系統，那么基于單片機應用系統的低功耗設計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計

北斗救生終端通常是處于待機狀態，由用戶觸發其工作，因此整機功耗體現在兩個方面，終端報警時的消耗和待機時的消耗。在待機狀態下，為了讓整機功耗最小，關閉除MCU外所有外設模塊的電源，并置MCU為低功耗模式，那么待機狀態下的功耗就取決于MCU的低功耗模式下的功耗及各個電源開關的漏電流大小。終端報警時，是按照先定位后報警的順序依次執行的，因此并不需要同時打開RNSS模塊和RDSS模塊的電源，應當根據當前所處工作狀態，選擇性地打開相應模塊的電源，并在模塊工作完成后立即關閉該模塊電源，例如當終端定位時，只打開RNSS模塊的電源，RDSS等模塊的電源依然處于關斷狀態，當定位完成后立即關閉RNSS模塊的電源；同時終端報警時MCU也并非一直處于工作狀態，當MCU等待某個事件的發生而不處理其他任務時可以關閉MCU的主時鐘，使MCU處于某一低功耗模式，以降低MCU的功耗。依據上述原則，從軟硬件兩方面來實現終端功耗設計。

北斗救生終端的硬件低功耗設計

MCU的選型及低功耗設計

作為北斗救生終端控制單元的核心器件，MCU的選擇對系統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，它是挪威的Energy Micro 公司推出的超低功耗32位ARM，以Cortex-M3為內核，集成了豐富的外設接口并提供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。它提供的外設接口諸如串口、SPI接口、ISO7816接口可以很方便的實現與定位模塊、RDSS模塊、北斗IC卡之間的信息交互，并且這些接口的時鐘源相互獨立，當關閉某個外設模塊的電源時，也可以關閉對應接口的時鐘源以降低功耗。

在本設計中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下，此時所有外設模塊電源關閉，MCU的所有時鐘關閉，RAM中內容丟失，寄存器中內容丟失、IO引腳狀態保持，在該模式下整個終端經實測待機電流為20μA。Deep Sleep模式主要用在終端報警而MCU無任務操作僅為等待時間或事件發生的場合，該模式下僅關閉了MCU的內核時鐘，其他外圍接口依然可以正常工作，例如關閉內核時鐘后依然可以接收定位模塊發送來的位置，時間信息。當終端報警需要MCU做相應控制和運算時，MCU處于Run Mode，該模式下MCU的功耗取決于主時鐘的工作頻率，頻率越高，功耗越大，但如果選用的頻率太低又會增加MCU處理任務的時間，反而增加了功耗，efm32lg360f256芯片的最高主頻可以達到48MHz，本設計中綜合考慮功耗和任務處理速度兩因素，配置MCU的主頻為14MHz，不包括外設模塊及相應接口的功耗，MCU在該模式下電流約為2mA。

電源電路的低功耗設計

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，本設計中采用TI公司的線性穩壓電源芯片將電池電壓轉換為各路不同的電壓值，同時為了實現分區分時供電，降低終端功耗，本設計中將終端電源劃分為兩個層次，總電源和各個模塊獨立電源。各模塊電源都受獨立的開關控制，并且只有當總電源開關及對應模塊電源開關都打開時，該模塊才會被供電，如圖2所示。實現的方法為各線性穩壓電源由總電源供電，當總電源開關斷開時，電壓轉換芯片停止工作。該方法不僅關閉了外設模塊電源還關閉了各電源穩壓芯片的電源，從而將休眠狀態下外設功耗降至最低。

由MCU的引腳高低電平決定各模塊電源開關的通斷，當開關斷開時，應保證其漏電流足夠小，本設計中選用的電源開關型號為CSD23203W。

RNSS模塊低功耗設計

為簡化設計，減小終端體積，選用u-blox的最小獨立式定位模塊EVA-M8M作為 位置、時間信息獲取模塊，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，直接接無源天線，冷啟動時間30s，溫啟動3s，在主電源斷電，備份電源工作條件下，星歷保持，待機電流15μA，該特性在連續報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，本設計中對該模塊采用兩路供電方式，主電源和備份電源，在進行定位時同時打開主電源和備份電源，獲取定位信息后關閉主電源，保持備份電源，這樣在等待IC卡的工作頻度到達的時間內，模塊能夠保持星歷信息，減少下次定位時間。

圖2 各模塊電源控制框圖

北斗救生終端的軟件低功耗設計

上述的硬件低功耗措施需要軟件配合才能到達降低系統功耗的目的，對于該終端的軟件設計需考慮以下幾個方面，對MCU的各個低功耗模式進行合理的切換；對外圍模塊的供電進行分時分區控制；對于閑置懸空的IO引腳，將其配置為輸出置零狀態；根據需要打開或關閉外設接口時鐘； 縮短MCU內核運行時間。縮短MCU內核運行時間的方法主要有以下幾點：

（1）用低功耗定時器代替軟件指令循環定時

軟件指令循環定時會一直占用MCU內核這樣不僅降低終端的響應速度更是增加了不必要的功耗浪費，efm32lg360f256單片機集成了低功耗的定時器，通過定時器定時可以解除對內核的占用，讓MCU處于某一低功耗模式下，定時時間到通過中斷喚醒MCU繼續工作。

（2）用周期查詢方式代替不間斷查詢

當MCU處于僅等待某個事件狀態發生而不處理其他任務時，設置一定時器周期性去查看該事件狀態標志，事件未發生時MCU進入低功耗，由定時器喚醒MCU。只需例如等待RNSS模塊定位成功，可以設置100ms的定時器，周期性的去查看定位標志，如果未成功，MCU便停止內核時鐘進入低功耗，100ms時間到MCU被再次喚醒進行標志查看。

（3）降低MCU的運算量

將浮點運算的數值擴大一定倍數后進行分數運算；計算的公式中遇到常量數據之間乘除時，可以在外部計算它們的值，然后將結果直接代入公式，減少運算步驟；使用查表的方式代替實時計算。

北斗救生終端低功耗數據分析

終端功耗主要表現在待機時功耗和報警時功耗，報警功耗主要體現在定位和發送短報文上。實驗測得，終端在待機，定位，發送短報文時的工作電流如下表1所示，定位時間會根據RNSS信號強度而變化，在第一次獲取位置信息后，再次定位是在熱啟動方式下進行，定位時間遠遠少于初次定位時間；發送短報文的時間與發送短報文的長度成正比。那么在終端工作電壓為3.5伏，定位時間為8秒，發送短報文時間為40毫秒情況下，按照公式1計算可得單次報警功耗為3.14焦耳，而單節電池的能量為1200毫安，考慮自放電及漏電情況下，單節電池可以提供約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為工作時間。

表1 各工作狀態下終端電流消耗

結語

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、電源電路的設計、MCU內核工作時間等角度描述了本終端的低功耗策略，工程實踐驗證，這些措施能夠有效降低終端的功耗，提高終端的續航時間。同時這些方法具有通用性，具有一定的推廣價值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.031