利用Maxim的超低功耗GPS解决方案将电池寿命延长10倍

将GPS功能添加到电池供电设备（如车辆跟踪器，资产跟踪器或物联网传感器）的最大挑战之一是缩短电池寿命。在几乎所有情况下，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状态。当接收器从所谓的“冷启动”中醒来时，它获取并锁定卫星信号，提取导航消息，其中包括卫星轨道和原子钟偏置信息（星历数据），并且至少有4个卫星信号，它能够确定位置和时间。但是，由于导航消息数据速率低至 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 秒或更长时间。只有这样，接收器才能计算出其位置。

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打开的时间。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，来自云中服务器的长达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。

此快照实现基于2015年授予阿尔伯塔省卡尔加里的Baseband Technologies Inc.的专利。Maxim与BTI合作，现在使用MAX2769C GNSS L1接收器和MAX32632 ARM Cortex M4微控制器提供完整的GPS解决方案，运行BTI固件。

图1.使用MAX2769C和MAX32632实现快照接收器

将接收卫星信号到获取位置坐标的过程视为一个三步过程是有帮助的：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解决方案还具有灵活性，可通过卸载到云服务器来执行板上或板外的信号处理和位置估计步骤。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具有灵活的功耗模式、智能外设管理单元（PMU）、动态时钟门控和固件控制的功率门控，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将Maxim/BTI GPS解决方案的能耗与市售的“低功耗”接收器模块进行了比较。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其位置。条形的灰色部分是无线部分传输位置所需的能量，对于两种解决方案都是相同的。另一方面，Maxim系统的位置定位和星历下载所需的能量小于20uWh，而竞争对手消耗的能量为170uWh，或9倍的能量。

图2.美信GPS系统的能耗与竞争对手的比较

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。更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。固件允许4ms、6ms、8ms、10ms、16ms、22ms和30ms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时的功耗

表1：Maxim/BTI GPS解决方案的功耗

 

采集窗口	功耗
	60年代更新	1小时更新
4毫秒	0.50毫瓦	0.04毫瓦
6毫秒	0.54毫瓦	0.05毫瓦
8毫秒	0.59毫瓦	0.05毫瓦
10毫秒	0.73毫瓦	0.05毫瓦
16毫秒	0.88毫瓦	0.05毫瓦
22毫秒	1.17毫瓦	0.06毫瓦
30毫秒	1.57毫瓦	0.06毫瓦

 

使用上面的数据，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纽扣电池可持续使用长达13个月

图3.对于一次/小时的露天应用，100mAh 电池可持续使用 13 个月

总之，Maxim的快照GPS接收器的功耗远低于传统的跟踪GPS接收器，非常适合电池寿命非常宝贵的可穿戴设备和物联网应用。

审核编辑：郭婷