使用Maxim的超低功耗GPS解决方案延长电池寿命

将 GPS 功能添加到车辆跟踪器、资产跟踪器或物联网传感器等电池供电设备的最大挑战之一是电池寿命缩短。几乎在所有情况下，增加电池尺寸以延长运行时间都不是一种选择，因为这会增加可穿戴设备的尺寸、重量和成本。

为了降低 GPS 接收器的功耗，大多数设计在需要接收器的位置之前保持接收器关闭。当接收器从所谓的“冷启动”中醒来时，它会获取并锁定卫星信号，提取包含卫星轨道和原子钟偏差信息（星历数据）的导航电文，并以最少4个卫星信号，可确定位置和时间。然而，由于导航电文数据速率较低，为 50 位/秒，因此接收器必须通电几秒钟才能接收广播数据，通常为 28 秒或更长。只有这样，接收器才能计算其位置。

帮助延长电池寿命的一种方法是减少接收器在计算位置之前的开启时间。快照接收器正是这样做的。在快照接收器实现中，接收器的开启时间不足以接收和解码星历数据。相反，来自云端服务器的长达 28 天的星历数据被预加载到接收器中，使其能够在几秒钟内唤醒并报告其位置。接收器开启时间的减少可以将电池寿命延长一个数量级，使其非常适合电池寿命一直是采用 GPS 技术的障碍的应用。

此快照实施基于 2015 年授予位于阿尔伯塔省卡尔加里的 Baseband Technologies Inc 的专利。Maxim 与 BTI 合作，现在提供完整的 GPS 解决方案，使用 MAX2769C GNSS L1 接收器和运行 BTI 固件的 MAX32632 ARM Cortex M4 微控制器。

图 1. 使用 MAX2769C 和 MAX32632 实现快照接收器

将接收卫星信号以获取位置坐标的过程视为三个步骤是有帮助的：信号捕获、信号处理和位置估计，如图 1所示。除了低功耗之外，Maxim/BTI 解决方案还提供了通过卸载到云服务器在板上或板外执行信号处理和位置估计步骤的灵活性。这可以进一步降低系统的功耗和成本。

除了快照算法的省电特性外，MAX32632 灵活的电源模式、智能外设管理单元 (PMU)、动态时钟门控和固件控制的电源门控功能进一步降低了 GPS 系统的功耗.

为了说明快照接收器的节能效果，图 2比较了 Maxim/BTI GPS 解决方案与市售“低功耗”接收器模块的能源使用情况。两个接收器每小时打开一次以接收卫星信号、计算位置并无线传输它们的位置。条形的灰色部分是无线部分传输位置所需的能量，并且对于两种解决方案都是相同的。另一方面，Maxim 系统进行定位和下载星历所需的能量不到 20uWh，而竞争对手则消耗 170uWh，即 9 倍以上的能量。

图 2. Maxim GPS 系统与竞争对手的能耗对比

快照接收器的另一个特点是它能够指定采集窗口，或捕获卫星信号的时间。较长的捕获窗口确实提高了位置精度，但也增加了要处理的数字样本的数量，从而增加了功耗。该固件允许 4ms、6ms、8ms、10ms、16ms、22ms 和 30 毫秒的采集窗口。表 1列出了 Maxim/BTI GPS 解决方案在各种采集窗口以及每分钟一次和每小时一次位置更新的功耗表 1：Maxim/BTI GPS 解决方案的功耗

使用上述数据，可以轻松计算出 100mAh 纽扣电池的使用寿命。如图 3 所示，根据捕获窗口的不同，100mAh 纽扣电池可以使用长达 13 个月

图 3. 对于一次/小时的露天应用，100mAh 电池可以使用 13 个月

总之，Maxim 的快照 GPS 接收器的功耗比传统的跟踪 GPS 接收器低得多，非常适合电池寿命非常重要的可穿戴设备和物联网应用