基于北斗短報文的低功耗定位系統的設計

薛思琪,任勇峰

中北大學,電子測試技術國家重點實驗室

0 引言

定位系統是用于指示動力設備位置信息的裝置[1]。目前,國內主流定位系統通常采用無線射頻收發的方式將多個模塊相互連接,實現落點指示[2],但離散模塊穩定性差且容易受障礙物遮擋;程艷等[3]研發了定位通信一體機,保證了系統的穩定工作,但其通信頻次為1 min/次,不滿足飛行設備在測試過程中對位置多次捕捉的要求,因此未被廣泛運用;何方城等[4]采用光繼電器控制北斗雙SIM卡切換,增加了通信頻次。綜上,現有的定位系統可實現定位和多頻次通信,但傳統方式的功率損耗過大,脫機工作時長不足24 h,無法滿足外場試驗的續航要求,實用性低。因此,降低功耗成為現有定位系統亟需解決的問題。

為解決上述問題,設計了基于北斗短報文通信的低功耗無線定位系統,在實現高精度定位、多頻次通信的基礎上,通過硬件設計和軟件工作模式的切換共同實現定位系統的低功耗輸出,延長了系統的獨立工作時長,滿足了動力設備降落過程中和落地后的長時間定位需求,增強了工作穩定性和實用性。

1 系統整體設計

定位系統采用模塊化的設計思路,集GPS定位模塊、北斗短報文通信模塊、電源管理模塊和數據處理模塊于一體。如圖1所示,在動力設備的下落過程中,系統首先通過GPS定位模塊將實時位置回傳給數據處理模塊,該模塊編幀信息后通過北斗短報文通信模塊轉發,最后用接收設備對報文接收并顯示。

圖1 定位系統組成框圖

在整體設計過程中,分別從硬件和軟件出發,綜合實現低功耗輸出。在硬件方面,選用低功耗器件控制功率損耗,在轉發短報文的過程中使用多路復用器切換2張北斗SIM卡,將通信頻次提高到2 min至少通信3次,減少因使用2路繼電器所帶來的程序混亂問題,提高了電路集成度。在軟件設計過程中,通過增加“休眠工作”模式,實現與“正常工作”模式循環輪換,在通信頻次達標后,關閉短報文發送功能,進入“休眠工作”狀態,同時停止供電電池電量的檢測。

2 硬件電路設計

2.1 主控模塊設計

多數定位系統的主控模塊選用單片機或FPGA芯片及其外圍電路,其中FPGA作為硬件設計芯片,實時性高、靈活性好,但存在造價高、功耗大的缺點。而單片機作為主控芯片,控制性強,可以進行多任務實時處理且造價低、功耗小,非常適合小型低功耗設備。因此,選用型號為STM32L431的低功耗單片機,工作時耗電僅為0.1～280.0 μA,滿足低功耗設計要求[5]。

以單片機芯片為控制器,使用內部UART串口及GPIO接口同裝置內部及外部控制設備進行信息交互,包括RS422數據接口、RNSS導航電文接收、RDSS短報文發送模塊、GPIO控制接口以及電池電壓采集接口。主控芯片與外部硬件接口交互如圖2所示。

圖2 主控芯片與外部硬件接口交互圖

2.2 GPS定位模塊

為了滿足動力設備的回收問題,在選擇定位模塊時除了定位精度之外,還需綜合考慮功率損耗和動態性能。根據特性參數對比表1,CNS35H-202-J在動態條件滿足機動載體需求的條件下,其他性能均優于另外2款模塊,且CNS35H-202-J已在課題組中多次使用,技術成熟[6]。綜上,定位系統的定位模塊選擇CNS35H-202-J。

表1 低功耗定位模塊選擇

定位模塊外圍電路分為電壓轉換和控制2部分。在電壓轉換部分,由于主控芯片STM32L431的工作電壓(3.3 V)與CNS35芯片的工作電壓(5 V)不匹配,需選用電平轉換芯片MAX3232設計,如圖3所示。該芯片在3.3 V供電下,電流僅為0.3 mA,滿足低功耗設計需求。在控制部分,主控模塊通過光繼電器AQV252G2S控制接收機電路通斷,在定位功能完成后及時斷電,減小定位系統的功率損耗[7]。

圖3 CNS35定位模塊應用電路

2.3 北斗短報文模塊設計

表2對比了TM0558與BDM9000性能。其中,TM0558芯片的通信成功率較高,所以選擇其作為通信模塊的主芯片。該模塊采用郵票孔的表貼封裝,集成度高,功耗低,且其內置相關的電源轉換電路,外部設備僅需提供+5 V供電,即可正常運行,極大地降低了電路布局對PCB面積的要求,非常適合高度集成的定位系統設計[8]。

表2 低功耗北斗通信模塊選擇

如圖4所示,為減少PCB占用空間且避免因使用過多的光繼電器帶來的程序混亂,選用了多路復用器交替切換雙SIM卡的方式。選擇ADG704多路復用器來實現切換控制。該芯片的工作電壓為1.8～5.5 V,典型功耗小于0.01 W,接通時間僅為20 ns,斷開時間僅為13 ns。較低的功耗和較快的開關速度使該器件適合信號切換應用。其切換原理為:系統上電后,主控模塊通過使能ADG704芯片來選擇S1、S2其中一路輸出至TM0558的IC_SD端,完成切換。通過雙卡切換使得報文的通信頻次保持在31 s/次,滿足2 min至少通信3次的設計需求且具有一定冗余時間,其交替切換的時序圖如圖5所示。

圖4 TM0558短報文模塊應用電路

圖5 北斗SIM卡切換時序

2.4 電源管理模塊設計

定位系統內部集成了互為備份的2塊鋰電池,單個電池電壓為8.4 V,容量為950 mA·h,內部設計雙路充電管理電路分別對雙冗余鋰電池充電,實際使用僅消耗電池電量的50%。主控模塊對雙電池分別進行電量采集,選擇高電量電池為系統供電。如圖6所示,系統的供電方案共有2種:一種為外部電源12 V供電,同時啟動充電電路對內部8.4 V鋰電池充電;另一種為外部12 V電源斷開后,由內部鋰電池為其供電,并利用二極管的導通特性進行供電選擇。由于系統內部需要5 V、3.3 V供電,因此電路中加入8.4 V轉5 V和5 V轉3.3 V的穩壓電路。

圖6 電源及管理模塊

綜合考慮低功耗的設計需求和電池性能等因素,選擇以智能充電芯片BQ24105為核心的充電電路,正常工作狀態下自耗電電流不超過20 μA。充電電路圖如圖7所示[8]。

圖7 鋰電池充電電路

3 低功耗定位系統的軟件設計

定位系統的軟件設計核心是“正常工作”和“休眠工作”的雙模式切換工作方式,通過該方式實現系統低功耗定位和通信功能。

3.1 雙模式切換

系統一次循環時長設置為4 min,正常工作2 min,休眠工作2 min。在完成定位回采的基礎上實現2 min至少通信3次。系統加電后,定位模塊以1 s的頻次實時刷新位置信息(定位失敗則為無效信息),并將該信息和電池電壓等信息編幀后發送給主控模塊。若當前位置信息有效,則將其放在內部緩存隊列中。

定位系統軟件邏輯流程圖如圖8所示。當主控器采集到電池電量高于最低工作電壓4.3 V時,定時器T1以此為零時刻開始計時工作,在“正常工作”模式的2 min內,通信計時T2若滿足ΔT2≥31 s(SIM卡1發送完畢)條件時,控制多路復用器ADG704的A0、A1引腳從“01”切換至“10”,選擇SIM卡2進行報文發送,雙卡切換直至2 min內已發送短報文3次,此時RDSS通信鏈路進入“休眠工作”模式,若通信間隔不滿足此條件,同樣進入“休眠工作”模式。當定時器T1達到一個完整工作時長240 s時,T1,T2計時器清零。此外,從休眠模式轉換到正常模式后,主控芯片的寄存器清零,之前存在的位置信息被清除,正常模式期間的定位信息只會被更新,不會被清除。

圖8 定位系統軟件邏輯流程圖

若主控器采集到電池電量低于4.3 V,則表明電池無法滿足系統的正常工作,該狀態下定位系統關機。

3.2 定位信息提取

CNS35定位模塊遵循NMEA-0183協議與主控模塊進行信息交互。協議中的GNRMC語句涵蓋了經緯度、高度、偏航角和速度等關鍵定位信息,本設計僅接收GNRMC語句[10]。如圖9所示,當單片機接收到“”符號后接收數據鎖存,開始接收語句,同時從接收到的數據首位開始檢索,直至得到N個逗號的位置,并根據返回值來獲取逗號位置的偏移量。語句接收結束后,接收標志位置位,根據協議中每個逗號后的信息數據類型,解析存儲所需信息。若檢測到定位狀態為成功,則該標志置位。語句接收完畢后關閉UART2中斷,在主函數流程中組幀完畢后再打開該中斷。

圖9 定位信息接收流程

3.3 短報文編輯與發送

定位系統斷電后,按照預設發送周期將位置信息發送給地面搜尋裝置,當接收到導航數據中定位成功后,定位成功標志置位(WholeGPGGAReceiveStatus==Ture),主函數判斷到定位成功標志置位后將導航數據中的經度、緯度和高度(高度精確為1 m)分離出來依次緩存入短報文發送隊列(隊列中內容去掉‘,’分隔符),短報文隊列中需依次緩存3條位置信息,并按照“舊-次新-新”順序進行排列,該隊列實時更新。流程如圖10所示。

圖10 短報文發送流程圖

4 整體測試及性能驗證

4.1 定位系統基本功能測試

定位系統和地面接收設備實物圖如圖11所示。在驗證低功耗性能之前,需要對系統的定位和通信功能的實現進行測試。

圖11 定位系統及地面接收終端

4.1.1 定位精度測試

定位精度是定位系統的重要指標,決定著其搭載的動力設備的回收效率。本次測試對中北大學不同地點進行了定位測試,如表3所示。通過比例尺1°(N)≈111 km,1°(E)≈85.39 km計算與實際位置坐標定位誤差。由表3可知,定位模塊的最大誤差不超過2.5 m。為直觀表現系統的定位精度,如圖12所示,將理論值和實測值作圖表示。圖中理論值為百度地圖顯示值。

表3 系統定位精度測試

圖12 定位實測值與理論值對比圖

4.1.2 通信接收測試

在測試時,需保證系統在斷電之前定位成功,并通過RS422接口將定位信息反饋回來,可實時觀測電池電壓、定位狀態、電源在線情況及定位后的位置坐標。如圖13所示,“5 A”表示外部電源12 V離線、鋰電池在線狀態,“D1、D0”表示鋰電池電壓值,“31、31、36”表示定位成功且搜星顆數為16顆?！?E、45、4D”分別表示北緯N、東經E以及海拔高度M,其余為具體位置坐標,經過ASCII碼轉碼后的位置坐標為:東經112°36.03109′、北緯 37°44.06492′、海拔高度785.3 m。

圖14為接收設備接收到反饋的時間?？沈炞C定位裝置的工作流程,地面接收設備在T1時刻接收到SIM卡1發送的信息,在T2時刻接收到SIM卡2發送的信息,并設置T1+2 min后以次/32 s的頻次接收雙卡交替發送的信息。

圖14 雙SIM卡交替通信測試圖

在定位成功后,模擬定位系統彈出及其在下落過程中的工作狀態,按照工作流程測試通信功能。通過對多臺裝置不同地點、不同時間段的重復測試,統計系統在不同方向下的定位時長及10 min收到的短報文個數。記錄結果如表4所示。根據設計邏輯可知,10 min內發送的通信申請為20條。測試結果表明,定位系統在朝北環境下的通信質量相對較差,通信成功率≥85%,定位時長<50 s。

表4 系統通信成功率測試結果

4.2 定位系統低功耗測試

為了驗證定位系統的低功耗性能,表5和表6分別對比了模式1和模式2,即“正常工作-休眠工作”各2 min循環工作和保持“正常工作”4 min 2種工作方式下的系統功率損耗、能量損耗以及工作時間。測試開始前,需保證系統斷開外接供電,僅由2塊8.4 V的鋰電池供電。

表5 不同工作模式下系統功耗計算

表6 不同工作模式下系統能耗和工作時長計算

系統的功耗由供電轉換、主控模式切換、供電管理、定位與通信功能產生。其中,由于北斗短報文模塊TM0558的供電電壓為5 V,主控STM32L431和定位模塊CNS35的供電電壓為3.3 V,因此5 V轉3.3 V的功耗存在于主控模式切換和供電管理部分,12 V轉5 V的功耗僅存在于北斗通信部分。

主控模式切換包括正常工作和休眠工作2部分,其中,正常工作的輸出電流I1=3.07 mA,根據P=UI,功耗為P1=9.2 mW;休眠工作的輸出電流為I2=0.5 mA,功耗為P2=1.65 mW。根據W=Pt,可得正常工作2 min-休眠工作2 min和正常工作4 min需要的能量分別為1 104 mW、198 mW和2 208 mW。同理,可計算出剩余模塊的所需能量值Wa、Wb,分別為供電管理模塊和GPS定位模塊的能量損耗,其中GPS定位模塊啟動時間為13 μs,功耗為2 W。

在5 V轉3.3 V的過程中,鋰電池需提供的實測能量為Wr,計算式為

(1)

式中:Wc為主控模塊能耗;Wd為模式切換能耗;Ui為實測輸入電壓,Ui=5.1 V;Uo為實測輸出電壓,Uo=3.3 V。

在單次循環為4 min的工作時長內,將2種工作方式下的能量各自相加可得5 V和3.3 V的電源消耗總能量,又因為12 V轉5 V的轉換效率η=70%,則利用η=W1/W,可得出4 min內系統消耗的總能量W。在設計過程中,鋰電池加入了冗余處理,冗余量為a=1/2。由式(2)可得,電池可提供的總能量為WBAT,其中,電池電壓VBAT=8.4 V,電池額定容量C=950 mA·h。最終,定位系統的脫機工作時長可由式(3)計算得出。

WBAT=VBAT·C·a×3 600

(2)

(3)

結果表明,系統在循環“正常工作2 min-休眠工作2 min”和持續“正常工作4 min”2種方式下的能量損耗和工作時長均有很大差別。雙模式循環工作的能量損耗僅為持續“正常工作”方式的64.7%;在單次工作時間為4 min的前提下,前者可工作31.63 h,相較后者延長了11.16 h。加入“休眠工作”與“正常工作”雙模式循環的工作方式有效地降低了功耗,提高了定位系統的續航時間。

5 結論

本文設計的定位系統以低功耗為核心,分別從硬件和軟件設計對傳統定位系統做出優化。硬件部分以STM32L431為主控器,選取低功耗GPS定位模塊、北斗短報文通信模塊,并設計了12 V和8.4 V雙電池供電方案,降低了硬件電路的功率損耗;軟件設計在保證GPS定位信息獲取和短報文發送功能正常的前提下,加入了“休眠工作”模式,實現與“正常工作模式”的循環交替工作,減小輸出損耗。測試結果表明:低功耗定位系統在實現定位誤差低于2.5 m、通信成功率≥85%和2 min至少通信3次的基礎上,將能量損耗降低至持續“正常工作”方式的64.7%,續航時間延長了11.16 h。該系統高精度定位、多頻次、通信高成功率和低功耗的特點,使其具有切實可行性和更廣泛的應用價值。