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Die Ultra-Low-Power GPS-Lösung von Maxim verlängert die Batterielebensdauer Ihres Fahrzeug-Trackers/Asset-Trackers/IoT-Geräts um das Zehnfache.

 (Quelle: Alexander Kirch/Shutterstock.com)

Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von GPS-Funktionen in batteriebetriebenen Geräten wie Fahrzeug- oder Asset-Trackern oder IoT-Sensoren ist die kurze Batterielebensdauer. Eine größere Batterie für eine längere Laufzeit ist in fast allen Fällen keine Option, da dies die Größe, das Gewicht und die Kosten des Geräts erhöhen würde.

Um den Stromverbrauch des GPS-Empfängers zu reduzieren, bleibt er bei den meisten Designs ausgeschaltet, bis die Position des Empfängers benötigt wird. Wenn der Empfänger aus dem so genannten Kaltstart aufwacht, erfasst er das Satellitensignal und verbindet sich mit ihm, liest die Positionsdaten aus, die die Satellitenumlaufbahn und die Atomuhrdaten (die Ephemeriden) enthalten, und kann so aus mindestens vier Satellitensignalen Position und Zeit bestimmen. Da die Datenrate der Navigationsnachricht jedoch nur 50Bit/s beträgt, muss der Empfänger für mehrere Sekunden eingeschaltet sein, um die gesendeten Daten zu empfangen, normalerweise 28 Sekunden oder länger. Erst dann kann der Empfänger seine Position berechnen.

Eine Möglichkeit, die Batterielebensdauer zu verlängern, besteht darin, die Einschaltdauer des Empfängers zu reduzieren, bevor eine Position berechnet wird. Ein Snapshot-Empfänger macht genau das. Bei einem solchen Snapshot-Empfänger ist der Empfänger nicht annähernd lange genug eingeschaltet, um die Ephemeridendaten zu empfangen und zu dekodieren. Stattdessen werden Ephemeridendaten von bis zu 28 Tagen von einem Server in der Cloud in den Empfänger vorgeladen, so dass er innerhalb weniger Sekunden aufwachen und seine Position melden kann. Die Verkürzung der Einschaltzeit des Empfängers kann die Batterielebensdauer um ein Vielfaches verlängern. Dadurch eignet er sich ideal für Anwendungen, bei denen die Batterielebensdauer bisher ein Hindernis für die Einführung der GPS-Technologie war.

Diese Snapshot-Implementierung basiert auf einem Patent, das im Jahr 2015 an die kanadische Firma Baseband Technologies Inc. aus Calgary, Alberta, vergeben wurde. Maxim Integrated hat eine Partnerschaft mit BTI geschlossen und bietet nun auf Basis des MAX2769C GNSS L1-Empfängers und des MAX32632 ARM Cortex M4-Mikrocontrollers, auf dem BTI-Firmware läuft, eine umfassende GPS-Lösung an.

Man kann sich den Empfang des Satellitensignals bis zum Erhalt der Positionskoordinaten als einen dreistufigen Prozess vorstellen: Signalerfassung, Signalverarbeitung und Positionsabschätzung (Abbildung 1). Neben dem geringen Stromverbrauch bietet die Maxim/BTI-Lösung auch die Flexibilität, sowohl die Signalverarbeitung als auch die Positionsbestimmung entweder direkt auf dem Board oder außerhalb des Boards auf einem Cloud-Server auszuführen. Dadurch können sowohl der Stromverbrauch als auch die Kosten des Systems weiter reduziert werden.

Abbildung 1: Implementierung eines Snapshot-Empfängers mit MAX2769C und MAX32632. (Quelle: Maxim Integrated)

Der Einsatz des MAX32632 mit seinen flexiblen Power-Modi, einer intelligenten Peripherie-Management-Einheit (PMU), dynamischem Clock-Gating und Firmware-gesteuertem Power-Gating reduziert zusätzlich zu den stromsparenden Eigenschaften des Snapshot-Algorithmus auch den Stromverbrauch des GPS-Systems.

Tabelle 1 vergleicht den Stromverbrauch der Maxim/BTI-GPS-Lösung mit einem herkömmlichen Low-Power-Empfängermodul und verdeutlicht so die Energieeinsparungen, die der Snapshot-Empfänger bietet. Beide Empfänger werden stündlich eingeschaltet, um das Satellitensignal zu empfangen, die Position zu berechnen und ihre Position drahtlos zu übertragen. Der graue Teil der Balken ist die Energie, die der drahtlose Teil zur Übertragung der Position benötigt und ist für beide Lösungen gleich. Demgegenüber beträgt der Stromverbrauch für die Positionsbestimmung und das Herunterladen der Ephemeriden beim Maxim-System weniger als 20uWh, während der herkömmliche Empfänger 170uWh oder neunmal mehr Energie verbraucht.

Tabelle 1: Energieverbrauch des Maxim-GPS-Systems im Vergleich zum Konkurrenzsystem (Quelle: Maxim Integrated) 

Ein weiteres Merkmal des Snapshot-Empfängers ist die Möglichkeit, das Erfassungsfenster festzulegen oder die Dauer der Erfassung des Satellitensignals vorzugeben. Ein längeres Erfassungsfenster verbessert zwar die Positionsgenauigkeit, erhöht aber die Anzahl der zu verarbeitenden digitalen Samples und damit den Stromverbrauch. Die Firmware erlaubt Erfassungsfenster von 4ms, 6ms, 8ms, 10ms, 16ms, 22ms und 30 msec. Tabelle 2 zeigt den Stromverbrauch der Maxim/BTI-GPS-Lösung für die verschiedenen Erfassungsfenster sowie für die Positionsaktualisierung einmal pro Minute und einmal pro Stunde.

Tabelle 2: Stromverbrauch der Maxim/BTI-GPS-Lösung (Quelle: Maxim Integrated) 

Anhand der Daten in Tabelle 2 kann man leicht berechnen, wie lange eine 100-mAh-Knopfzelle durchhält. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann eine 100mAh-Knopfzelle je nach Erfassungsfenster bis zu 13 Monate halten.

Abbildung 2: Bei einmaliger Erfassung pro Stunde unter freiem Himmel kann eine 100-mAh-Zelle 13 Monate halten. (Quelle: Maxim Integrated) 

Fazit

Der Snapshot-GPS-Empfänger von Maxim bietet einen wesentlich geringeren Stromverbrauch als herkömmliche Tracking-GPS-Empfänger und eignet sich damit ideal für Wearables und IoT-Anwendungen, bei denen die Batterielebensdauer eine wichtige Rolle spielt.

Dieser Blog wurde von Alec M Makdessian geschrieben und zuerst auf www.maximintegrated.com veröffentlicht.