將 GPS 功能添加到車輛跟蹤器、資產(chǎn)跟蹤器或物聯(lián)網(wǎng)傳感器等電池供電設(shè)備的最大挑戰(zhàn)之一是電池壽命縮短。幾乎在所有情況下，增加電池尺寸以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間都不是一種選擇，因?yàn)檫@會(huì)增加可穿戴設(shè)備的尺寸、重量和成本。

為了降低 GPS 接收器的功耗，大多數(shù)設(shè)計(jì)在需要接收器的位置之前保持接收器關(guān)閉。當(dāng)接收器從所謂的“冷啟動(dòng)”中醒來時(shí)，它會(huì)獲取并鎖定衛(wèi)星信號(hào)，提取包含衛(wèi)星軌道和原子鐘偏差信息（星歷數(shù)據(jù)）的導(dǎo)航電文，并以最少4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，可確定位置和時(shí)間。然而，由于導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)速率較低，為 50 位/秒，因此接收器必須通電幾秒鐘才能接收廣播數(shù)據(jù)，通常為 28 秒或更長(zhǎng)。只有這樣，接收器才能計(jì)算其位置。

幫助延長(zhǎng)電池壽命的一種方法是減少接收器在計(jì)算位置之前的開啟時(shí)間。快照接收器正是這樣做的。在快照接收器實(shí)現(xiàn)中，接收器的開啟時(shí)間不足以接收和解碼星歷數(shù)據(jù)。相反，來自云端服務(wù)器的長(zhǎng)達(dá) 28 天的星歷數(shù)據(jù)被預(yù)加載到接收器中，使其能夠在幾秒鐘內(nèi)喚醒并報(bào)告其位置。接收器開啟時(shí)間的減少可以將電池壽命延長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)，使其非常適合電池壽命一直是采用 GPS 技術(shù)的障礙的應(yīng)用。

此快照實(shí)施基于 2015 年授予位于阿爾伯塔省卡爾加里的 Baseband Technologies Inc 的專利。Maxim 與 BTI 合作，現(xiàn)在提供完整的 GPS 解決方案，使用 MAX2769C GNSS L1 接收器和運(yùn)行 BTI 固件的 MAX32632 ARM Cortex M4 微控制器。

圖 1. 使用 MAX2769C 和 MAX32632 實(shí)現(xiàn)快照接收器

將接收衛(wèi)星信號(hào)以獲取位置坐標(biāo)的過程視為三個(gè)步驟是有幫助的：信號(hào)捕獲、信號(hào)處理和位置估計(jì)，如圖 1所示。除了低功耗之外，Maxim/BTI 解決方案還提供了通過卸載到云服務(wù)器在板上或板外執(zhí)行信號(hào)處理和位置估計(jì)步驟的靈活性。這可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗和成本。

除了快照算法的省電特性外，MAX32632 靈活的電源模式、智能外設(shè)管理單元 (PMU)、動(dòng)態(tài)時(shí)鐘門控和固件控制的電源門控功能進(jìn)一步降低了 GPS 系統(tǒng)的功耗.

為了說明快照接收器的節(jié)能效果，圖 2比較了 Maxim/BTI GPS 解決方案與市售“低功耗”接收器模塊的能源使用情況。兩個(gè)接收器每小時(shí)打開一次以接收衛(wèi)星信號(hào)、計(jì)算位置并無線傳輸它們的位置。條形的灰色部分是無線部分傳輸位置所需的能量，并且對(duì)于兩種解決方案都是相同的。另一方面，Maxim 系統(tǒng)進(jìn)行定位和下載星歷所需的能量不到 20uWh，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手則消耗 170uWh，即 9 倍以上的能量。

圖 2. Maxim GPS 系統(tǒng)與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的能耗對(duì)比

快照接收器的另一個(gè)特點(diǎn)是它能夠指定采集窗口，或捕獲衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)間。較長(zhǎng)的捕獲窗口確實(shí)提高了位置精度，但也增加了要處理的數(shù)字樣本的數(shù)量，從而增加了功耗。該固件允許 4ms、6ms、8ms、10ms、16ms、22ms 和 30 毫秒的采集窗口。表 1列出了 Maxim/BTI GPS 解決方案在各種采集窗口以及每分鐘一次和每小時(shí)一次位置更新的功耗表 1：Maxim/BTI GPS 解決方案的功耗

使用上述數(shù)據(jù)，可以輕松計(jì)算出 100mAh 紐扣電池的使用壽命。如圖 3 所示，根據(jù)捕獲窗口的不同，100mAh 紐扣電池可以使用長(zhǎng)達(dá) 13 個(gè)月

圖 3. 對(duì)于一次/小時(shí)的露天應(yīng)用，100mAh 電池可以使用 13 個(gè)月

總之，Maxim的快照 GPS 接收器的功耗比傳統(tǒng)的跟蹤 GPS 接收器低得多，非常適合電池壽命非常重要的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用