一款超低功耗的北斗救生终端设计

一款超低功耗的北斗救生终端设计

北斗系统是我国自主研发的卫星导航定位系统，能够提供120个汉字的通信服务，利用北斗系统构建的搜救营救体系已在地震救灾、海上渔业、船舶运输、铁路运输等特定区域环境中得到应用。北斗救生终端作为遇险人员携带的报警装置，它的可靠性及使用时间对搜救行动能否成功有重要的影响。市场上的北斗手持终端通常用锂电池或USB供电，续航时间只有数个小时，对于在偏远地区，因环境复杂搜救人员不能及时到达现场而遇险人员位置轨迹又在变化场合，这么短的续航时间无法为成功搜救提供重要保障。目前降低终端功耗的措施主要集中在降低基带芯片、射频模块、晶振等单个部件的功耗上，文献提出从整机的硬件组成FPGA、DSP和LCD等器件的型号选择及软件处理上降低整机功耗的方法，该方法使得救生终端的功耗不到一般用户机的一半，然而这些方法更多关注单个部件的功耗，忽略了对整机工作流程的分析，在整机工作时并非所有元器件都需要在同一时间运行，对于不需要工作的器件完全可以关闭它的电源供给来降低功耗，本文依此设计整机电源管理策略、选择低功耗微处理器并规划各个部件之间的工作时序来降低功耗。

北斗救生终端组成及工作原理

北斗救生终端主要功能为当用户遇险时可以通过终端上的按键触发报警，终端首先获取位置信息，然后将包含位置的求救信息以北斗短报文的方式发射出去，由卫星转发到搜救中心，实现报警求救；而在非遇险情况下，终端始终处于待机休眠状态，由单节干电池供电，在未使用过报警功能的前提下，三年内无需更换电池进行设备维护。从低功耗角度优化改进文献提出的救生终端框架设计，终端可以划分为以下几个部分：定位模块、北斗信号发送模块、北斗卡、指示灯、按键、微处理器，电源管理模块等，如图1所示，RNSS定位模块用于获取位置、速度、时间信息，RDSS发送模块实现发送信号的扩频、低中频调制，低中频数字信号到大功率射频信号的转换，大功率入站信号转换为电磁波辐射到北斗卫星等功能。MCU是终端的核心器件，负责整机各个模块的电源控制、工作流程控制，根据流程依次启动各模块，控制各模块顺序工作。指示灯用于显示终端当前的工作状态，例如是否定位成功，是否报警成功等。各个功能模块的工作电压不同， 需要相应的电源管理模块将电池提供的电压转化为各个模块的工作电压。基于该硬件结构的北斗救生终端可以看作为单片机的一个应用系统，那么基于单片机应用系统的低功耗设计方法也同样适用在本终端中。

图1 北斗救生终端原理框图

北斗救生终端的低功耗设计

北斗救生终端通常是处于待机状态，由用户触发其工作，因此整机功耗体现在两个方面，终端报警时的消耗和待机时的消耗。在待机状态下，为了让整机功耗最小，关闭除MCU外所有外设模块的电源，并置MCU为低功耗模式，那么待机状态下的功耗就取决于MCU的低功耗模式下的功耗及各个电源开关的漏电流大小。终端报警时，是按照先定位后报警的顺序依次执行的，因此并不需要同时打开RNSS模块和RDSS模块的电源，应当根据当前所处工作状态，选择性地打开相应模块的电源，并在模块工作完成后立即关闭该模块电源，例如当终端定位时，只打开RNSS模块的电源，RDSS等模块的电源依然处于关断状态，当定位完成后立即关闭RNSS模块的电源；同时终端报警时MCU也并非一直处于工作状态，当MCU等待某个事件的发生而不处理其他任务时可以关闭MCU的主时钟，使MCU处于某一低功耗模式，以降低MCU的功耗。依据上述原则，从软硬件两方面来实现终端功耗设计。

北斗救生终端的硬件低功耗设计

MCU的选型及低功耗设计

作为北斗救生终端控制单元的核心器件，MCU的选择对系统的性能及功耗有重大的影响。本终端选用EFM32系列的efm32lg360f256单片机，它是挪威的Energy Micro 公司推出的超低功耗32位ARM，以Cortex-M3为内核，集成了丰富的外设接口并提供7种低功耗模式，在正常工作模式下耗电量为211uA/MHz，在最低耗Shutoff Mode模式下耗电量仅为20nA。它提供的外设接口诸如串口、SPI接口、ISO7816接口可以很方便的实现与定位模块、RDSS模块、北斗IC卡之间的信息交互，并且这些接口的时钟源相互独立，当关闭某个外设模块的电源时，也可以关闭对应接口的时钟源以降低功耗。

在本设计中MCU选用了其中的三种低功耗模式，分别为20nA的Shutoff Mode、63uA/MHz的Deep Sleep Mode、211uA/MHZ的Run Mode。Shutoff Mode主要用在终端长期不工作休眠的状态下，此时所有外设模块电源关闭，MCU的所有时钟关闭，RAM中内容丢失，寄存器中内容丢失、IO引脚状态保持，在该模式下整个终端经实测待机电流为20μA。Deep Sleep模式主要用在终端报警而MCU无任务操作仅为等待时间或事件发生的场合，该模式下仅关闭了MCU的内核时钟，其他外围接口依然可以正常工作，例如关闭内核时钟后依然可以接收定位模块发送来的位置，时间信息。当终端报警需要MCU做相应控制和运算时，MCU处于Run Mode，该模式下MCU的功耗取决于主时钟的工作频率，频率越高，功耗越大，但如果选用的频率太低又会增加MCU处理任务的时间，反而增加了功耗，efm32lg360f256芯片的最高主频可以达到48MHz，本设计中综合考虑功耗和任务处理速度两因素，配置MCU的主频为14MHz，不包括外设模块及相应接口的功耗，MCU在该模式下电流约为2mA。

电源电路的低功耗设计

本终端采用电压为3.6V的干电池为其供电，而各外围模块的工作电压不同，例如定位模块的工作电压为3.3V，RDSS模块中FPGA的供电电压和引脚电压分别为1.2V、2.8V，本设计中采用TI公司的线性稳压电源芯片将电池电压转换为各路不同的电压值，同时为了实现分区分时供电，降低终端功耗，本设计中将终端电源划分为两个层次，总电源和各个模块独立电源。各模块电源都受独立的开关控制，并且只有当总电源开关及对应模块电源开关都打开时，该模块才会被供电，如图2所示。实现的方法为各线性稳压电源由总电源供电，当总电源开关断开时，电压转换芯片停止工作。该方法不仅关闭了外设模块电源还关闭了各电源稳压芯片的电源，从而将休眠状态下外设功耗降至最低。

由MCU的引脚高低电平决定各模块电源开关的通断，当开关断开时，应保证其漏电流足够小，本设计中选用的电源开关型号为CSD23203W。

RNSS模块低功耗设计

为简化设计，减小终端体积，选用u-blox的最小独立式定位模块EVA-M8M作为 位置、时间信息获取模块，该模块支持美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、日本的QZSS以及SBAS延伸系统，直接接无源天线，冷启动时间30s，温启动3s，在主电源断电，备份电源工作条件下，星历保持，待机电流15μA，该特性在连续报警定位情况下能够大大降低终端定位所需要的功耗。

针对u-blox模块低功耗特性，本设计中对该模块采用两路供电方式，主电源和备份电源，在进行定位时同时打开主电源和备份电源，获取定位信息后关闭主电源，保持备份电源，这样在等待IC卡的工作频度到达的时间内，模块能够保持星历信息，减少下次定位时间。

图2 各模块电源控制框图

北斗救生终端的软件低功耗设计

上述的硬件低功耗措施需要软件配合才能到达降低系统功耗的目的，对于该终端的软件设计需考虑以下几个方面，对MCU的各个低功耗模式进行合理的切换；对外围模块的供电进行分时分区控制；对于闲置悬空的IO引脚，将其配置为输出置零状态；根据需要打开或关闭外设接口时钟； 缩短MCU内核运行时间。缩短MCU内核运行时间的方法主要有以下几点：

（1）用低功耗定时器代替软件指令循环定时

软件指令循环定时会一直占用MCU内核这样不仅降低终端的响应速度更是增加了不必要的功耗浪费，efm32lg360f256单片机集成了低功耗的定时器，通过定时器定时可以解除对内核的占用，让MCU处于某一低功耗模式下，定时时间到通过中断唤醒MCU继续工作。

（2）用周期查询方式代替不间断查询

当MCU处于仅等待某个事件状态发生而不处理其他任务时，设置一定时器周期性去查看该事件状态标志，事件未发生时MCU进入低功耗，由定时器唤醒MCU。只需例如等待RNSS模块定位成功，可以设置100ms的定时器，周期性的去查看定位标志，如果未成功，MCU便停止内核时钟进入低功耗，100ms时间到MCU被再次唤醒进行标志查看。

（3）降低MCU的运算量

将浮点运算的数值扩大一定倍数后进行分数运算；计算的公式中遇到常量数据之间乘除时，可以在外部计算它们的值，然后将结果直接代入公式，减少运算步骤；使用查表的方式代替实时计算。

北斗救生终端低功耗数据分析

终端功耗主要表现在待机时功耗和报警时功耗，报警功耗主要体现在定位和发送短报文上。实验测得，终端在待机，定位，发送短报文时的工作电流如下表1所示，定位时间会根据RNSS信号强度而变化，在第一次获取位置信息后，再次定位是在热启动方式下进行，定位时间远远少于初次定位时间；发送短报文的时间与发送短报文的长度成正比。那么在终端工作电压为3.5伏，定位时间为8秒，发送短报文时间为40毫秒情况下，按照公式1计算可得单次报警功耗为3.14焦耳，而单节电池的能量为1200毫安，考虑自放电及漏电情况下，单节电池可以提供约11756焦耳的能量，足以提供终端工作在72小时以上。

其中W 为功耗，U 为工作电压，I 为工作电流，T为工作时间。

表1 各工作状态下终端电流消耗

结语

本文从核心控制器件MCU的型号选择、工作模式控制、外围元器件工作方式、电源电路的设计、MCU内核工作时间等角度描述了本终端的低功耗策略，工程实践验证，这些措施能够有效降低终端的功耗，提高终端的续航时间。同时这些方法具有通用性，具有一定的推广价值。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.21.031