（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于PXA270平臺(tái)的掌上電腦設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[電路與系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

中文摘要 摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式技術(shù)取得了迅猛 的發(fā)展。從m p 3 、p d a 這樣的小型數(shù)字產(chǎn)品，到智能家電、數(shù)控機(jī)床，嵌入式技 術(shù)迅速滲透到各行各業(yè)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及與多媒體技術(shù)的發(fā)展，促使消費(fèi)電子、 計(jì)算機(jī)和通信平臺(tái)的一體化趨勢加快，使得嵌入式技術(shù)成為新的研究熱點(diǎn)。移動(dòng) 娛樂、移動(dòng)辦公、移動(dòng)商務(wù)不僅成為一種新的消費(fèi)需求，更是一種新的消費(fèi)趨勢。 目前，市場上現(xiàn)有的智能p d a 很難完全滿足新的功能需求；傳統(tǒng)筆記本體積功耗 又偏大。因此，設(shè)計(jì)一款新的嵌入式終端產(chǎn)品來滿足這個(gè)市場需求，是一個(gè)非常 有市場預(yù)期的研究課題。 本文正是基于此目的，通過對產(chǎn)品市場定位的功能需求分析，提出了嵌入式 微型筆記本的設(shè)計(jì)方案。方案從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面分析了系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功 能和原理。硬件方面主要包括：電源、總線設(shè)備、人機(jī)接口模塊、串口和u s b 接 口模塊；軟件方面，主要論述了b o o t l o a d e r 開發(fā)、o a l 層開發(fā)和驅(qū)動(dòng)開發(fā)。通過 分析，完成了掌上電腦各基本功能模塊和產(chǎn)品特色模塊，如h u b 、w i f i 、硬盤、 鍵盤等的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了一款集娛樂、辦公，商務(wù)于一體的、功能豐富的嵌入 式移動(dòng)平臺(tái)。 文章最后，給出了微型筆記本的圖片實(shí)例。通過微軟c e t k 測試和實(shí)踐應(yīng)用， 系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了嵌入式微型筆記本的所有功麓。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；w i n d o w sm o b i l e ；p x a 2 7 0 ；p o c k e tp c 分類號# t p 3 0 2 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ea d v a n c eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y a n dm i c r c e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g i e sh a v em a d er a p i dd e v e l o p m e n t f r o mm p 3 ，p d as u c hs m a l ls i z eo fp r o d u c t st oi n t e l l i g e n th o u s e h o l da p p l i a n c e sa n d m a c h i n et o o l s e m b e d d e dt e c h n o l o g i e sr a p i d l yp e n e t r a t e di n t oa i lw a l k so fo u rl i f e t h e p o p u l a r i t yo fc o m p u t e rn e t w o r k sa n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i - m e d i at e c h n o l o g y a o c e l 耐et h ec o n s u l n e td e c u o n i c s , c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m i na i n t e g r a t e d 自r e n d , a n dm a k ee m b e d d e dt e c h n o l o g i e sa sa n e wh o ts p o to fs t u d y m o b i l e e n t e r t a l m n e n t , m o b i l eo f f i c ea n dm o b i l ec o m m e r c en o to n l yb e c o m ean 哪k i n do f c o i l s u m e rd e m a n d , b u ta l s oan e wc o n s u m p t i o nt r e n d c u r r e n t l y , i n t e l l i g e n t p d a s a v a i l a b l ei nt h em a r k e t 躺d i f f i c u l tt of u l l ym e e tt h e s ef u n c t i o n s ；w h i l et r a d i t i o n a l n o t e b o o k sh a v eab i gs i z ea n de x c e s s i v ep o w e rc o n s u m p t i o n d e s i g n i n gan e w e m b e d d e dp r o d u c tt om e e tt h em a r k e td e m a n di sa ni s s u eh i g h l ya n t i c i p a t e d i n e c o n o m y b a s e do nt h i so b j e c t i v e ，t h r o u g ht h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n ta n a l y s i si nt h ep r o d u c t m a r k e tp o s i t i o n , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ee m b e d d e dm i c r o n o t e b o o ks o l u t i o n f r o m h a r d w a r ea n ds o r w a r ea s p e c t s ，w ea n a l y s et h ef u n c t i o na n dt h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo f t h es y s t e m h a r d w a r ea s p e c ti n c l u d e s ：p o w e rs u p p l y , b u se q u i p m e n t s ，m a l l m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l e , s e r i a la n du s bi n t e r f a c em o d u l e ；s o f t w a r ea s p e c tm a i n l yd i s c u s s o s b n o t i o a d e r , d r i v e r sa n dt h ed e v e l o p m e n to f o a ll a y e r t h r o u g ha n a l y s i s ，w ec o m p l e t e d t h ed e s i g no fb a s i cf u n c t i o nm o d u l eo fp o c k e tp ca n dp r o d u c tc h a r a c t e r i s t i cm o d u l e , s u c ha sh u b ，w i f i ，h a r dd i s k , a n dk e y b o a n t f a n s ，w eh a v ea c h i e v e da ne m b e d d e d m o b i l ep l a t f o r mw h i c hi n t e g r a t e st h ei n t e r n c t , e n t e r t a i m n e n t , o f f i c e , b u s i n e s sf u n c t i o n f i n a l l y , t h ep i e t u 他o ft h es y s t e mi sg i v e na sa ne x a m p l e t h r o u g ht h em i c r o = o f f c e t kt e s ta n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n , t h es y s t c l nf u l l yr c a l i z c dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t a n da l it h ef e a t u r e so f t h ee m b e d d e dm i c r o - n o t e b o o k k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；w i n d o w sm o b i l e ；p x a 2 7 0 ：p o c k e tp c c l a s s n o ：t p 3 0 2 i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者簽名：孳辱 簽字日期：2 神年阻n z l - 日 導(dǎo)師簽名： 修尊 輯嗍呷引瑚7 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：茬孝z 鳴 簽字日期：為呷年f t 月沖日 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師侯建軍教授的悉心指導(dǎo)下完成的，侯建軍教授嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。侯建軍教授悉心指導(dǎo) 我們完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作，在學(xué)習(xí)上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助， 對于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見，在此向侯建軍老師表示衷心 的謝意。 同時(shí)感謝陳后金老師、杜普選老師、陸勇老師、郝曉莉老師和薛健老師，感 謝他們在我研究生學(xué)習(xí)期間給予我的諄諄教誨。 在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)及撰寫論文期間，李昌、宛碩、王篤賓、賀力、曾璇、牛永琴 以及電路班的其他同學(xué)對我論文中研究工作都給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá) 我的感激之情。 另外也感謝我的家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專心完成我的學(xué)業(yè) 1 1 課題背景 1 引言 從2 0 世紀(jì)中期發(fā)明了第一臺(tái)計(jì)算機(jī)開始，人類進(jìn)入了信息時(shí)代或信息社會(huì)。 在此后的幾十年里，計(jì)算機(jī)不斷的向小型化發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從軍事和科研逐 漸走向商用和民用領(lǐng)域。當(dāng)前，在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的后p c 時(shí)代， 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更是無處不在，在民用領(lǐng)域如通信設(shè)備、消費(fèi)電子、工業(yè)電子 設(shè)備和汽車電子等領(lǐng)域都極大的擴(kuò)展了其使用空間。便攜式的電子設(shè)備如掌上電 腦也得到迅速的發(fā)展。 掌上電腦是對p c 機(jī)的高度濃縮，這種濃縮必然帶來性能上的下降，但是也為 它實(shí)現(xiàn)新的的用途創(chuàng)造了條件。盡管筆記本電腦也可以用來構(gòu)建移動(dòng)p c ，性能也 和臺(tái)式p c 一樣，但其受到屏茅和驅(qū)動(dòng)器等限制，體積功耗不可能過分小，始終擺 脫不了。手提。的概念。因而使掌上電腦擁有了其廣泛的使用領(lǐng)域。同時(shí)掌上電腦與 移動(dòng)通信技術(shù)的結(jié)合以及在特定場合的應(yīng)用是筆記本電腦無法取代的。掌上電腦 象p c 機(jī)一樣可以用來管理個(gè)人信息，如通訊錄、記事和備忘、同程安排、計(jì)算器 和辭典等功能。掌上電腦還可以用來實(shí)現(xiàn)通信和多媒體功能。隨著v l s i 技術(shù)的快 速發(fā)展使得微處理器性能得到極大的提高，尤其是在集成度、體積和功耗方面進(jìn) 步顯著。這些技術(shù)的進(jìn)步使掌上電腦的性能得到極大的改善。掌上電腦的價(jià)值就 在于實(shí)現(xiàn)了便攜的移動(dòng)計(jì)算機(jī)功能，只要加入必要的功能或模塊就可以實(shí)現(xiàn)通用 或者專用的用途。 在目前的掌上電腦市場上，大約有7 0 的需求來自個(gè)人用戶，3 0 來自企業(yè)用 戶。行業(yè)以及個(gè)人用戶對掌上電腦產(chǎn)品的功能和使用需求呈現(xiàn)出多樣化趨勢，尤 其是和數(shù)據(jù)、信息處理等密切相關(guān)的行業(yè)，如醫(yī)院、教育、政府等行業(yè)中，這種 需求更是一直處于待開發(fā)狀態(tài)。掌上電腦以多種功能的集合為用戶營造了一個(gè)寬 敞的數(shù)碼之“家”，針對用戶多樣化需求和行業(yè)市場的開發(fā)，掌上電腦產(chǎn)品成為最 具潛力的發(fā)展方向。掌上電腦由于其軟硬件擴(kuò)充性較高，能夠滿足未來企業(yè)用戶、 個(gè)人用戶越來越多的應(yīng)用需求。 在近幾年里，掌上電腦逐漸滲透到各個(gè)特定的行業(yè)中去呈現(xiàn)行業(yè)化趨勢。 隨著掌上電腦在技術(shù)方面的提升，使得終端產(chǎn)品不僅越做越輕薄、在技術(shù)上也更 多地整合了藍(lán)牙、w 詎i 無線局域網(wǎng)等技術(shù)，使得掌上電腦在屏幕顯示、運(yùn)行速度 不斷提高地同時(shí)，也在使得掌上電腦更多的實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，更有利于企業(yè)級用戶 的應(yīng)用。掌上電腦會(huì)出現(xiàn)在更多特定的行業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮自己的特殊作用，同時(shí)也 將充分利用掌上電腦優(yōu)越的便攜性和可擴(kuò)展性取得更多企業(yè)和用戶的認(rèn)可。 本課題主要針對市場r 益增長的移動(dòng)娛樂、移動(dòng)辦公、移動(dòng)商務(wù)的需求。雖 然在目前市場上存在從低端到高端的智能電腦，但是很難完全滿足這些功能要求； 傳統(tǒng)筆記本體積功耗又偏大。設(shè)計(jì)一款新的嵌入式終端產(chǎn)品來滿足這個(gè)市場需求， 是個(gè)非常有市場預(yù)期的研究課題。本文正是以此為目的，提出了嵌入式微型筆 記本的概念，進(jìn)行了對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究的 1 2 研究內(nèi)容 本課題首先從市場定位進(jìn)行了系統(tǒng)的功能需求分析，由功能需求決定了系統(tǒng) 軟硬件的選擇，同時(shí)提出了自己的設(shè)計(jì)思想和方法。然后，以嵌入式微型筆記本 為主體，全面論述了系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)中，主要論述了電 源、總線設(shè)備、人機(jī)接口模塊、串口和u s b 接e l 模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；軟件設(shè)計(jì)中， 主要論述了b o o t l o m 盯開發(fā)、o a l 層開發(fā)和驅(qū)動(dòng)開發(fā) 2 2 嵌入式系統(tǒng)簡介 本章首先介紹嵌人式系統(tǒng)的定義及其體系架構(gòu)，接下來介紹了嵌人式系統(tǒng)的 處理器，這其中包括處理器的x s c a l e 內(nèi)核架構(gòu)，處理器的分類及應(yīng)用范圍，并介 紹了a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) 處理器架構(gòu)，最后簡單介紹了w i n d o w sm o b i l e 操作系統(tǒng)的各層結(jié)構(gòu)和開發(fā)工具。 2 1 嵌入式系統(tǒng)定義 嵌入式系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)技術(shù)直接應(yīng)用到常見的應(yīng)用系統(tǒng)中，它融合了計(jì)算機(jī)軟 硬件技術(shù)、通信和半導(dǎo)體微電子技術(shù)。用一句話來概括嵌人式系統(tǒng)就是指以嵌人 式處理器為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)的，對 功能、可靠性、成本、體積和功耗都有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 2 2 嵌入式系統(tǒng)的體系架構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)采用裁剪的方式把所需應(yīng)用的功能嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，可以 有l(wèi) l ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 級、芯片級和模塊級3 種不同體系架構(gòu) 口級架構(gòu)是將各種i p 單元根據(jù)應(yīng)用的要求集成到一塊芯片上，即系統(tǒng)級芯片 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的形式，除此之外還可以將各種嵌人式軟件也以m 的方式加 入到芯片中。 芯片級架構(gòu)是指根據(jù)各種應(yīng)用系統(tǒng)的要求，選用相應(yīng)的處理器、存儲(chǔ)器和輸 入輸出接口芯片等組成嵌人式系統(tǒng)，并將系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件固化在存儲(chǔ)器中。 這也是現(xiàn)在嵌人式系統(tǒng)最常見的形式。 模塊級架構(gòu)是指以x 9 6 處理器構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中這樣可以 充分利用當(dāng)前p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 機(jī)的通用性和便利性。但是，此方式不但要 縮小體積、增加可靠性，還要把普通的操作系統(tǒng)改為嵌人式操作系統(tǒng)，將應(yīng)用軟 件固化到固態(tài)盤中。x 8 6 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，缺點(diǎn)是功耗高，體積大。 本文采用芯片級架構(gòu)來建立硬件系統(tǒng)。芯片級架構(gòu)的掌上電腦產(chǎn)品因?yàn)椴捎?專用的硬件主板，可以做到小體積和低功耗，并且其硬件的外圍模塊和通訊接口 可以在設(shè)計(jì)硬件原理圖的時(shí)候自由選擇 2 3 嵌入式處理器 處理器在嵌人式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占據(jù)著十分重要的位置。 2 3 1嵌人式處理器 我們通常所說的嵌人式處理器是指m p u ( m i c r op m o 哪o ru n i t ) 或m c u ( m i e r o c o n t r o l l e ru n i t ) 。作為新型的嵌入式系統(tǒng)的處理器核，要求其具備處理速度快，存 儲(chǔ)容量大，輸入輸出功能強(qiáng)，功率損耗低以及實(shí)時(shí)響應(yīng)快等特點(diǎn)。 嵌人式微處理器從單一中央處理器架構(gòu)產(chǎn)品發(fā)展到目前流行的整合型微處理 器，經(jīng)歷了4 位、8 位、1 6 位、3 2 位、6 4 位的發(fā)展過程。表2 1 是以位數(shù)來對嵌 人式處理器做的分類。在嵌人式系統(tǒng)中位數(shù)取決于處理器處理資源的寬度，單片 機(jī)型的嵌人式系統(tǒng)微處理器較為常見，不過一般性微處理器在嵌人式系統(tǒng)中的應(yīng) 用也很廣泛。 表2 1 按位敦對嵌入式處理墨進(jìn)行分類 4 位8 位1 6 位3 2 位6 4 位 1 1 6 l o o ob 0 4 8 4 9 5 08 0 9 7a l 瑚m 工c o r ei l i f s6 4 b i t 嵌人式微 c o p s8 0 5 1 5 2 6 8 2 0 0m l p s3 2 b i t sr i s cr i s cc o r e 處理器( 單 6 8 0 l “0 5c o r e 片機(jī)型) z 8 嵌人式傲 8 0 8 56 8 0 98 3 0 8 6p e n t i u m 處理器 4 0 0 4z 8 0 8 0 2 8 68 0 3 8 68 0 4 8 6 i i i i i ( 一般用途4 0 4 0 6 5 0 26 8 0 28 0 1 8 6 6 8 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 型) z 8 0 0 0 2 3 2a r m 架構(gòu)處理器 a r m ( a d v a n c e di u s cm a c h i n e sl i m i t e d ) 公司成立于1 9 9 0 年。1 9 8 5 年4 月，第 一個(gè)a r m 原型在英國劍橋的a c o r n 計(jì)算機(jī)有限公司誕生到現(xiàn)在，a r m 架構(gòu)處 理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌人式應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了領(lǐng)先地位。1 9 9 4 年a r m 公司推出了a r m 架構(gòu)r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 處理器a r m 6 1 0 ， 此后相繼推出了a r m 7 , a r m 8 , a r m 9 , a r m l 0 及a r ml l 等嵌入式微處理器核。 a r m 架構(gòu)自從誕生至今，發(fā)展并定義了6 種不同版本。圖l 標(biāo)明了a r m 內(nèi)核版 本和不同的a r m 處理器的關(guān)系 圍匭匹習(xí)曰曰圍 圖2 - 1 不同內(nèi)核版本的處理器 f i g u r e2 - 1p r o c e s s o ro f d i f f e r e n tk e r n e lv e r s i o n 由于arm 架構(gòu)處理器具有低功耗、高運(yùn)算效率及高整合性等特質(zhì)，使得眾 多的芯片設(shè)計(jì)與芯片制造公司競相向a r m 公司購買a r mr i s c 核，作為自己的 處理器的運(yùn)算核心。 2 4w i n d o w sm o b i l e 操作系統(tǒng) w i n d o w sm o b i l e 是微軟為lo c k e tp c 和s m a r t p h o n e 設(shè)備定制開發(fā)的軟件平臺(tái)， 是w i n d o w sc e 的一個(gè)重要分支，它的底層采用和w i n d o w sc e 完全相同的二進(jìn)制 代碼，其開發(fā)過程與開發(fā)工具也基本相同。它與w i n d o w s 相似的界面和微軟提供 易用的開發(fā)工具及開發(fā)者熟悉的各種開發(fā)環(huán)境使得使用者與開發(fā)者都非常方便。 且其內(nèi)核采用了多種w i n d o w 常用的技術(shù)，這些都可以縮短w i n d o w sm o b i l e 應(yīng)用 程序的開發(fā)周期。 就本課題的w i n d o w sm o b i l e 系統(tǒng)開發(fā)來說，所需的工作就是為自己的硬件提 供相應(yīng)w i n d o w sm o b i l e 的鏡像文件。需要開發(fā)灼內(nèi)容是應(yīng)用程序和直接與系統(tǒng)硬 件有關(guān)的部分，包括硬件部分、硬件抽象層和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。硬件抽象層處于內(nèi) 核與硬件設(shè)備之間，主要任務(wù)是為內(nèi)核管理硬件設(shè)備的時(shí)鐘、中斷和電源管理提 供支持。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)對目標(biāo)設(shè)備的訪問。在這種結(jié)構(gòu)下，就可以應(yīng)用 驅(qū)動(dòng)程序和硬件抽象層的a p i ( a p p l i c a f i o np r o g r a m m i n gb t e l 矗c e ) 函數(shù)與硬件進(jìn)行 交流，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)τ布钠帘?。圖2 2 是w i n d o w sm o b i l e 的分層結(jié)構(gòu)示意 圖。一個(gè)完整的基于w i n d o w s m o b i l e 的系統(tǒng)軟件部分可分為三部分，應(yīng)用軟件、 操作系統(tǒng)部分和硬件相關(guān)部分。 應(yīng)辮 5 1 0 0 0 記憶艘應(yīng)無有較輕無 自放電率( 吖 32 52 0t o 月) 最大充電電巍 ( ：l c 放電結(jié)束電壓 l v 以下2 7 3 0 1 分段恒 恒疏： 恒漉：佃沈恒飚： 漉電池電堰下 電泡電眼界再上恒流危電乎j 2 v 2 1 匠壓慣降t 電強(qiáng)增量 充電方式 升( 電眶增煞節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)入倆玨允 際( 囂負(fù)載 v 、- m v v = o v ) 時(shí)。轉(zhuǎn)入滿電。屯渡霪搿旗步 危電時(shí)) 節(jié)) 時(shí)轉(zhuǎn)入 j 快充溺漉危電 流充電最后_ i 筮入溺漉競也 也池溫度 4 5 度時(shí) 電，f 氈池溢度b 4 5 度時(shí)俘i ! 芒電 停止充電 有齄好的l l 沮放 優(yōu)點(diǎn) 電特性 高盈( 4 0 度以上) 易受到過充電瀠 奠點(diǎn) 時(shí)罄電窖量將 下降5 l 幃 放電及翰路的櫥富 鋰電池是最近幾年來新出現(xiàn)的一類高容量可充電電池。它的電池容量比目前 任何其它類可充電電池都要高從體積上看相同大小的鋰電池容量僅比鎳氫電 池大1 0 - 3 0 ；但從重量上來看，相同重量的鋰電池與鎳電池相比，鋰電池的容量 是鎳氫電池的兩倍。 雖然鋰電池在容量上具有明顯的優(yōu)勢，但它也有一些缺點(diǎn)，需要在設(shè)計(jì)時(shí)注 意。其中最主要的是鋰電池對過度放電和充電都十分敏感，兩者都會(huì)導(dǎo)致電池的 永久損壞因此一般鋰電池使用恒壓一恒流方式充電，充電過程中要密切監(jiān)視電池 電壓和溫度，當(dāng)電壓到達(dá)一定門限后應(yīng)立即終止充電。這個(gè)電壓檢測要求有1 以 上的精度同時(shí)當(dāng)電池溫度高于4 7 5 度時(shí)也應(yīng)立即停止充電另外為防止深度放 電后的鋰電池在快速充電過程中損壞或發(fā)生危險(xiǎn)，要求在電池電壓低于定值時(shí) ( 2 5 v ) 充電必須以小電流形式進(jìn)行。 4 2 4電源方案選擇 由于本產(chǎn)品設(shè)計(jì)針對便攜式無線產(chǎn)品應(yīng)用，因此對成本、體積和性能各方面 都有嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)過程中我們需采取各種妥協(xié)折中以便找到體積、性能、 價(jià)格、效率的最優(yōu)結(jié)合點(diǎn)。下面首先分析幾類常用的電源方案，分析其利弊，并 在最后給出本設(shè)計(jì)所采用的方案。 1 低壓差穩(wěn)壓器( l d o ) l 1 ) o 是一種能提供高質(zhì)量電壓的電路，它有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： _ 電路簡單，體積?。?低噪聲，一般l d o 的輸出噪聲 3 0 u v ； 零負(fù)載時(shí)操作電流較低； - 理想的線路及負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)； 一低壓差 典型的l d o 產(chǎn)品允許輸入輸出之閫電壓插在1 0 0 m i 左右，但這個(gè)最小允許電 壓差會(huì)隨電流上升而上升 使用l i ) 0 的效率為吃，巧，由公式可見當(dāng)圪接近巧時(shí)l d o 能達(dá)到很高的效率。 比如若匕- 3 3 v ，巧= 3 6 v ，則效率為： r = r o ，只1 0 0 = 9 1 6 7 ( 4 一1 ) 由于鋰電池平均電壓在3 6 v 一3 7 v 之問，因此使用l d o 作為3 3 v 電壓穩(wěn)壓器 會(huì)有很高的效率。加上前面提到的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得l 0 0 電源在掌上產(chǎn)品設(shè)計(jì)中被 廣泛使用。但l d o 也存在些缺點(diǎn)： 當(dāng)v o ：使用d 叫 ，對應(yīng)兩片s d r a m 的d q i l 和d q 岫，實(shí)現(xiàn)3 2 位數(shù) 據(jù)各字節(jié)的選擇； 使用s d c k e 作為時(shí)鐘使能；s d c l k i 作為s d r a i i 時(shí)鐘；n s o c s o 作為片選使能， 其他線對應(yīng)相連，從而將2 片外部s d r a m 映射到內(nèi)部o x a 0 0 0 _ 0 0 0 0 開始的1 2 8 m 內(nèi) 存空問( 1 g 模式下b a n k o ) 詳細(xì)電路連接如圖4 6 所示 圖4 _ 6s d r a i d 電路原理圖 f i 掣科6 c h n i i l k m 蚯璐o f s d r a m 3 s o r a m 的讀寫訪問 系統(tǒng)上電后，首先應(yīng)對s d p , 蝴進(jìn)行初始化，設(shè)置其時(shí)間參數(shù)，行列和b a n k 位 數(shù)，使系統(tǒng)s d r a i l 參數(shù)與k 4 m 5 1 1 6 3 p c 要求匹配。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫訪問時(shí)，分別在 r a s 、c a s 有效期間送出行列地址、b a n k 選擇位，從而選定外部s d r a m 指定位置 對于寫操作，使能盹信號，同時(shí)d q m 允許或屏蔽數(shù)據(jù)線上的各個(gè)字節(jié)；對于 s d r a m 的讀操作，使d 伽 ：使用兩片f l a s h 并聯(lián)構(gòu)成3 2 位數(shù)據(jù)總線； 系統(tǒng)地址總線l i a ：f l a s h 的s a 與p x a 2 7 0 m a 對應(yīng)相連。因 為p c 2 8 f 2 5 6 p 3 0 為1 6 位數(shù)據(jù)總線，故其a o 地址不用，以1 6 位為一個(gè)字。p x a 2 7 0 為3 2 位數(shù)據(jù)總線，與p c 2 8 f 2 5 6 p 3 0 連接時(shí)，由a 2 地址開始，以4 字節(jié)為一個(gè)3 2 位字，地址每次偏移4 個(gè)字節(jié)。也就是說，p x a 2 7 0 的每一個(gè)3 2 位字對應(yīng)到兩片 f l a s h 中的上下兩個(gè)半字。 f l a s h 復(fù)位信號直接使用系統(tǒng)n r s t _ o t r r 信號，該信號在c p u 完成復(fù)位后輸 出有效；片選信號使用n c s o ，將f l a s h 地址映射到o x 0 0 0 0 _ o o o o 開始的6 4 m 空間 內(nèi)，可支持系統(tǒng)從f l a s h 的啟動(dòng)；時(shí)鐘信號使用s d c l k 0 。 4 3 3i d e 硬盤存儲(chǔ)器 1 i d e 模塊的設(shè)計(jì)要求：支持標(biāo)準(zhǔn)a t a ( a ta t t a c h m e n t ) 接口的東芝1 8 寸 硬盤；c p u 占用率及功耗較低 2 器件選擇：選用q u i c k l o g i c 的q l 8 0 5 0q u i c k l d e 蒼片，它包含所需的所有 特性： 支持p i o 模式o 到模式4 ； 大于l o m b y t e s s e c 的傳輸速率； - 支持到硬盤和c i 卜r o m d v d - r o m ( a t a p i ) 設(shè)備的連接； 內(nèi)置5 1 2 b y t e s 內(nèi)存緩沖區(qū)，大大降低了c p u 訪問占用率； 在可選擇的低功耗模式下，功耗小于l 刪。 圖4 8 為0 l 8 0 5 0 內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)圖。 圖4 8q l 8 0 5 0 內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)圖 f i g u n 則h 岫i 堪擘m i 盈五伽山曲a r io f q l 8 0 5 0 這款q u i c k l o g i c 協(xié)處理器是為英特爾p x a 2 7 0 嵌入式處理器定錨的全功能的 i d e 控制器。該器件提供了極高的吞吐量，同時(shí)卻消耗很少的能量。處理器通過其 內(nèi)部緩存發(fā)送給i i ) e 控制器數(shù)據(jù)。由緩存介質(zhì)，通過使用其r d y 信號，v l i o 訪問能 夠被q u i c k l o g i c 協(xié)處理器自動(dòng)處理。q u i c k l o g i c 協(xié)處理將v l i o 數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部解 碼為本地地址直接訪問其狀態(tài)控制寄存器或i d e 接口。通過使用內(nèi)存緩存，p x a 2 7 0 可以在5 1 2 字節(jié)的扇區(qū)內(nèi)進(jìn)行讀寫操作而不被中斷或等待外部i d e 的連接。 3 、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) p x a 2 7 0 使用v l i o 的方式與q u i c k l d e 芯片相連，使用片選線c s 5 作為對 q u i c k l o e 的片選。數(shù)據(jù)總線被編程為3 2 位數(shù)據(jù)總線分別與q u i c k i d e 數(shù)據(jù)線相連。 地址線通過譯碼將q u i c k i d e 的狀態(tài)控制寄存器及緩存空間映射o x l 4 0 00 0 0 0 開 始的內(nèi)部地址空問。通過控制q u i c k l o e 的控制寄存器及讀寫緩存數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對i d e 接口的讀寫操作。圖4 - 9 是其連線示意圖。 圖4 9q u i c k i 吧硬盤接口 阿刪h 硼d i 止i i 婦o f q d d d d e 4 4 用戶界面模塊設(shè)計(jì) 用戶界面模塊包括了l c d ，觸摸屏，音頻輸出。麥克風(fēng)輸入等部分。其中l(wèi) c d 模塊和音頻模塊最為重要，設(shè)計(jì)過程也比較復(fù)雜 本節(jié)將詳細(xì)介紹這兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過程 4 4 ，ll c d 模塊設(shè)計(jì) 1 設(shè)計(jì)要求 l c d 是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的用戶接口之一。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為： 4 8 0 x 2 7 2 的分辨率： 彩色( 6 一bi t 紅6 一b i t 綠6 一b i t 藍(lán)) t f t 屏； 屏亮度可調(diào)； 考慮價(jià)格和尺寸的原因，本設(shè)計(jì)的l c d 選用三星的l t e 4 0 0 - 妒f 0 24 寸t f t 。 它由t f t l c d 模塊、面板驅(qū)動(dòng)電路和觸摸屏面板( t s p ) 構(gòu)成 2 l c d 電源部分 三星提供的l c d 模塊，直接包含了l c d 面板的驅(qū)動(dòng)，但是背光的驅(qū)動(dòng)需要我 們自己去完成。l t e 4 0 0 w q - f 0 2 背光由8 支串聯(lián)的白光二極管組成表4 - 4 顯示了 白光l e d 對驅(qū)動(dòng)電流的要求 表4 - 4 背光l e d 驅(qū)動(dòng)電流 i n is , m b 0 1 鼉b 切。i k t h i t t t l 比踟c i i l - r e n ti - 2 02 5 a ( 1 ) i i p o c e xc o n s u m p ti o np i醋0鯽 i l l ( 2 ) i 由表可知所需的驅(qū)動(dòng)電壓為： u = p j = 5 3 0 1 2 0 = 2 5 1 5 v ( 4 - 3 ) 設(shè)計(jì)中，我們選用電源芯片m f l 5 1 8 來實(shí)現(xiàn)白光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求，如圖4 一l o ： 圈4 - 1 0l c i ) 背光驅(qū)動(dòng)電路 f i g l a 4 - 1 0b 吐6 咖越w 枷o f “d 圖中。l c d - 嗍一o n 接c p u 外擴(kuò)的g p i o ，控制背光打開關(guān)閉：b l a d j 腳接c p u 的p 硼_ o u t 0 腳。通過c p u 輸出一定周期的調(diào)制脈沖去影響f b 與地問電阻流過的 電流，從而改變背光l e d 的亮度，實(shí)現(xiàn)背光l e d 的驅(qū)動(dòng)及亮度調(diào)制。 3 液晶顯示模塊 系統(tǒng)的4 寸液晶是主動(dòng)式的液晶顯示陣列，陣列大小為4 8 0 x 2 7 2r g b ，并且每 個(gè)像素可以分為紅、綠、藍(lán)三個(gè)子像素。每個(gè)彩色子像素的灰度和亮度取決于一 個(gè)6 位的灰度信號，因此共有2 6 2 1 4 種顏色。它具有低功耗、重量輕、體積小的 特點(diǎn)，非常適用于嵌入式移動(dòng)平臺(tái)。它采用3 3 v 直流供電，整個(gè)功耗只有6 3 0 m l f ， 總重量只有6 5 克。 p x a 2 7 0 與l c d 的引腳連接如圖4 1 l 所示，其中l(wèi) d d o _ _ d d 7 為p x a 2 7 0 的 l j c d 專用控制引腳，l d d 8 一l d d l 5 為p x a 2 7 0 的g p i o ( g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t ) ，它們是雙功能引腳，可用于l c d 的信號，也可作為第二功能來使用，因 為此處采用的是1 8 位紅綠藍(lán)信號的液晶，但p x a 2 7 0 只有1 6 位信號線，因此在紅 和藍(lán)的信號組中，將r o 和b o 接地，用來減少顏色數(shù)量達(dá)到匹配信號線的目的。 圖4 - 1 1p x 1 2 7 0 與l 弓f 腳連接 f i g u r e 4 - 1 1p i nc o l m c c = 6 0 n $ o f p x a 2 7 0 a n d l c d - 圖中的lp c l k 為l c i ) 控制器的像點(diǎn)的時(shí)鐘，ll c l k 為行時(shí)鐘，l _ f c l k 為場 時(shí)鐘，l - b i a s 為交流偏置信號。在4 8 0 x 2 7 2 模式下，每個(gè)行時(shí)鐘的寬度大約為4 8 0 個(gè)像點(diǎn)時(shí)鐘。而每個(gè)場時(shí)鐘寬度為2 7 2 個(gè)行時(shí)鐘，這樣掃描成為l 屏圖像。 4 t o u c h p a n e l 接口 本款觸摸屏內(nèi)置t o u c h p a n e l ，系統(tǒng)中將它與1 1 )