（控制理论与控制工程专业论文）智能型掌上电脑pda的研究与开发.pdf

学科专业：控制理论与控制工程 论文题目：智能型掌上电脑( p d a ) 的研究与开发 硕士生：陆海波导师：吕炳朝教授 p d a 是p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 的缩写，字面意思是“个人数字助理”，即通常所说的 掌上电脑。近几年有关p d a 的技术飞速发展，这种手持设备集中了计算、电话、传真和网 络等多种功能。它不仅可用来管理个人信息( 如通讯录，计划等) ，更重要的是可以上网浏 览，收发e m a i l ，发传真，甚至还可以当作手机来用。尤为重要的是，这些功能都可以通过 无线方式实现。当然，并不是任何p d a 都具备以上所有功能。即使具备，也可能由于缺乏 相应的服务而不能实现。但可以预见，p d a 发展的趋势和潮流就是计算、通信、网络、存 储、娱乐、电子商务等多功能的融合。户。 本文介绍了p d a 的发展历程，着重探讨p d a 当今的技术热点及今后的发展方向，再详 细介绍作者所参与开发的一款智能型掌上电脑，包括其硬件电路和软件设计总体思路，以及 部分具体电路设计和软件流程。围绕实现简单、成本低廉、回报丰厚的宗旨，对硬件电路的 芯片选型及其具体特性作了详细介绍，并特别介绍了独创的快捷键电路设计和软件扫描流 程、c p u 模块的内部特性和端口分配、电源供电模块的具体参数特性。基于p p s m 开发的 应用软件和系统管理软件具有效率高、占用存储器资源少、较易升级的特点。桌面软件和通 讯软件以及自定义的通讯协议在本文中都有重点介绍。 关键词：p d a ，掌上电脑，p p s m ，电子商务 堡型鉴! ! 型丛羔型 a b s t r a c t s u b j e c ts p e c i a l i t y ：a u t o m a t i o n t h e o r ya n de n g i n e e r i n g t h e s i st i t l e ：t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fb n ek i n do f i n t e l l i g e n tp d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) m a s t e r ：h a i b ol ut u t o r ：p r o f e s s o r b i n g c h a ol v p d ai st h ea b b r e v i a t i o no fp e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t w eu s u a l l yc a l li ta s “p a l m c o m p u t e r ”r e c e n t l yt h et e c h n o l o g ya b o u tp d a h a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l y s u c hk i n d o fh a n d h e l de q u i p m e n ti n c l u d e sal o to ff u n c t i o n ss u c ha sc o m p u t i n g ，f a x ，n e t w o r ka n d s o o n t h e yc a nb eu s e d a sn o to n l yp e r s o n a lm e s s a g em a n a g e r s ，b u ta l s o i n t e r n e t b r o w s e r st h r o u g hw h o mf a x e sa n de - m a i l sc a nb es e n to u to rr e c e i v e d a b o v ea l l ，t h e s e f u n c t i o n sa r ea c h i e v e db yw i r e l e s sm o d e s o fc o u r s e ，n o ta l lp d a sh a v et h e s ef u n c t i o n s a b o v e - m e n t i o n e d e v e ni ft h e yp o s s e s st h e m ，m a y b et h e s ef u n e t i o n sc a n n o tb er e a l i z e d b e c a u s el a c ko ft h ec o r r e s p o n d i n gs e r v i c e s b u tw ec a na n t i c i p a t ep d a sd e v e l o p i n g t i d ea n dt r e n di st h eb l e n do fc o m p u t i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ，s t o r e ，e n t e r t a i n m e n t a n de l e c t r i cc o m m e r c ef u n e t i o n s t h i sp a p e ri n c l u d e sp d a sd e v e l o p i n gc a r e e r ，s o m ec u r r e n tt e c h n o l o g yf o c u s e s a n di t s d e v e l o p i n gd i r e c t i o n ，a n dt h e np a r t i c u l a r l yc o n t a i n st h et o t a ld e s i g nt h o u g h t a b o u tt h ei n t e l l i g e n tp d aw h o s ed e v e l o p m e n tt h ea u t h o rt o o kap a r ti n ，w h i c hi n c l u d e s s o m eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ep r o c e d u r e s k e yw o r d s ：p d a p a l mc o m p u t e r p p s m e - c o m m e r c e 2 鬻能蛩蕈i 也赫的姘兜s 开发 1 1 什么是p d a 第一章p d a 概论 p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 即所谓的“个人数字助理”，实际上是一种比笔记本 电脑还要小得多的手持式电脑，可以用作电子笔记本处理简单日常业务，或传递电子信息。 按照其功能范围可以分为广义和狭义两种，具体如下： 广义p d a 即通常所说的掌上电脑，这种手持设备兼有计算、网络、传真、电话等多种 功能，使得个人信息管理变得尤为方便，网上冲浪、收发电子邮件都可以通过无线方式解决。 由于现代信息技术的发展，使得g p s 、p a g e r 、b l o o t h 、m p 3 、i p p h o n e 等新技术也逐 渐融入p d a 的设计中。 狭义p d a 可以称作电子记事本，其功能较为单一，主要是管理个人信息，如通讯录、 记事备忘、日程安排、便笺、计算器、录音和辞典等功能，而且这些功能都是固化的，不能 根据用户的要求增加新的功能。 p d a 一般都不配备键盘，而用手写输入或语音输入。当前p d a 所使用操作系统主要有 p a l mo s ，w i n d o w sc e ，l i n u x ，p p s m 和e p o c 等。 在本文以后所涉及的p d a 通常都指的是掌上电脑，在这里特意说明。 1 2p d a 的由来 最初的p d a 的确是用于个人的，也是数字式的，但还远远称不上是一个合格的助理。 八十年代初期，t a n d y 电脑公司制造的t r s - - 8 0 袖珍型电脑，算是最早可以真正装在衣 服口袋中的袖珍型电脑。它看上去就像一个带有数字和字母键盘的计算器，甚至可以为它加 装一个功能非常有限的小型打印机。不过，t r s - - 8 0 袖珍型电脑的显示屏太小，储存容量也 过小( 可以另外买一个8 k 的扩充卡) ，尽管可以使用b a s i c 编程语言，但运行商业软件时 的表现还相当差劲。 随后，其它一些基于d o s 的便携式电脑也纷纷出现，像九十年代初期的p o q u e t 电脑， 但在a p p l e 公司开始涉足手持式电脑领域之前，市场对这种极有前途的产品反映都不太积 极。随着a p p l e 公司的加入，情况发生了很大的变化。1 9 9 3 年，a p p l e 公司推出了真正意义 上的p d a - - n e v , t o n m e s s a g e p a d 。与其前辈们不同的是，n e w t o n 并不是一种功能简单化的 p c ，它根本就是依照p d a 的功能概念重新设计出来的，拥有自己独立的操作系统和应用程 序。n e w t o n 在当时堪称是技术上的奇迹：拥有手写识别功能，一个捆绑在一起的m o d e m 可 以联结i n t e m e t ，还有一个红外接口。但n e w t o n 过于强大的功能设置，使它的运行速度非常 缓慢，无法满足大多数人的要求：而且，它的体积也显得过于笨拙了一些，几乎和一些笔记 本电脑一样大。加上a p p l e 公司所采取的糟糕的市场营销策略，在技术上具有划时代意义的 n e w t o n ，不仅没有为a p p l e 公司带来一分钱的收益，反倒使之亏损了数百万美元。1 9 9 7 年， 尚处于困境之中的a p p l e 公司宣布彻底放弃n e w t o n 项目，这在当时还引来了不小的反对之 蟹钝墼擎j ：也髓的研究| 开笸 声。 此时的p d a 市场也还处于刚形成后的混乱之中，s h a r p ，p s i o n ，t i 和h p 等数十家企业 都推出了各自设计的p d a 产品和专用操作系统，并都试图使之成为新的标准，甚至连软件 巨人“微软”也推出了w i n d o w s c e 操作系统，一种单色彩的w i n d o w s 9 5 简化版本。但一场混 战之后，结果却出乎大多数人的意料，最终的胜利者居然不是前面提到过的那些实力雄厚的 大企业，而是一家叫做“棕榈叶”( p a l m ) 的小公司。 “棕榈叶”的p a l m p i l o t 是一种手写输入的p d a ，具有很好的便携性能，运行速度也比较 理想，使之一面世就成了市场上的新宠。另外，一种创新的模块设计还可以使p a l m p i l o t 连 接一部m o d e m ，或是连接一个插在台式电脑中的同步支架上。从p a l m p i l o t 上卸下连接用的 硬件以后，就可以使其体积更小，也更容易操作。虽然它的g r a f f i t i 手写识别系统比较难以 掌握，但旦能够熟练使用之后，输入速度相当令人满意。吸取了n e w t o n m e s s a g e p a d 的长 处，摒弃了它的短处，再加上适当的创新，“棕榈叶”的p a l m p i l o t 把便携性，易用性和合适 的运行速度有机地结合在一起，奠定了自己在p d a 市场上的领先地位。另外，它的开放性 硬件设计也为第三方的技术革新留下了非常大的空间。总之，“p d a 之王”终于产生了，同时 也标志着p d a 市场已经走向了成熟。 如今的市场情况已经发生了很大的变化，p d a 市场已逐步开始成为一个主流市场，甚 至被不少分析家看成是一个发展潜力最大的市场。“微软”自然不会放过这样一个巨大的市 场机会，开始了在p d a 市场上的全力冲刺，但到目前为止，“棕榈叶”仍然是当之无愧的“p d a 之王”。它的p a l m p i l o t 家族已经推出第三代p a l 枷i ，虽然从总体上而言，和过去的 p a l m p i l o t 并没有太大的不同，只是拥有了更大的储存容量，新的字体，一个方便的红外线 接口和更酷的设计，和诸如p a g e r 卡之类的新附件，这种卡可以为p a l m l i i 增加2 m b 的存储 量，发挥寻呼机( p a g e r ) 的作用。 不过，即使加上了那些新的附件，p a l m p i l o t 系列p d a 从其诞生到现在为止，主要功能 并没有发生很大的变化。造成这一情况的原因只可能有两个：“棕榈叶”从一开始就已经抓住 了问题的实质所在，或者是它对主流市场趋势的判断有了很大的偏差，而后者正是“微软”想 极力表明的。“微软”的w i n d o w s c e l 0 操作系统，主要用于基于键盘的低性能亚笔记本电脑 ( 并非真正的p d a ) 上，因此根本就没有在p d a 市场上造成多大的影响，但它最近推出的 w i n d o w s c e 2 0 操作系统却大为不同。 c e 2 0 不仅要大大快于c e l 0 ，而且还支持彩色显示，并且被多种号称“p i l o t 杀手”的新 型p d a 所采用，大有取代p i l o t 的操作系统，成为p d a 操作系统新标准的架势。尽管c e 2 0 仍然要比p i l o t 的操作系统庞大，但它具有w i n d o w s 的界面，这无疑会对其有很大的帮助作 用。熟悉w i n d o w s 9 5 ，也自然会用w i n d o w s c e ( 甚至两者的“开始菜单”都是一样的) 。而且 两者技术上的相似性，也使第三方w i n d o w s 应用软件开发商们，可以很方便得把已有的应 用软件转换成可供c e 运行的版本，因此，适用于w i n d o w s c e 的应用软件种类将会越来越 多。 1 3p d a 的发展及应用前景 如今有关p d a 的技术飞速发展，人们把p d a 当成一个总体概念，而把产品细分为电子 汜事本、掌上电脑、手持电脑、智能寻呼机和智能手机、亚笔记本和迷你型笔记本等。但目 前和今后的p d a 产品的内涵仍然是8 年前所描述的那样完整、明确。p d a 的最低端产品是 智能壁掌上屯脑的研究s 开发 p e r s o n a lo r g a n i z e r ，即我们所称的电子记事本、电子辞典等。其主要功能为p i m ( 个人信 息管理) ，如电话号码簿、联系人、任务等，这类产品一般没有操作系统或是有封闭和简单 的操作系统，存储能力也较小，部分产品可以与p c 连接和实现通信功能。目前国内流行的 文曲星、商务通、名人、经理人等产品，尽管功能差别很大，但严格讲均应属这类产品。掌 上型电脑主要有基于p a l mo s 操作系统的p a l m 系列掌上电脑和基于w i n d o w sc e 操作系统 的掌上电脑。基于p a l mo s 的掌上电脑目前在世界的p d a 市场上占有绝对优势，据有关资 料显示，p a l m 公司的掌上电脑占有率为7 5 ，而成立不到一年的h a n d s p r i n g 推出的v i s o r 操作系统已有1 8 的市场份额。w i n d o w s c e 到目前一直处于劣势，但微软的新产品p o c k e t p c 则有大步赶上之势。手持电脑和掌上电脑相比的特点就是“横”的显示屏，带有键盘，即所谓 的h a n d h e l dp c ，目前这类产品主要有两类：p s i o n 公司的基于e p o c 的s e r i e s 系列手持电脑 和公司的基于w i n d o w s c e 系统的h p 手持电脑。国内的h pj o m a d a 6 8 8 是这类产品的代表。 尽管和掌上电脑比体积稍大，但其明确、够用的办公功能和强大的因特网浏览仍赢得了移动 办公人员的青睐。 p d a 经过近1 0 年的发展，技术越发先进，产品更加丰富，功能更加强大。仅有简单的 记事本功能，使用简单，没有操作系统的p d a 产品将很快退出市场。尽管记事本仍是p d a 的基本功能，但这种产品已无力支撑整个p d a 市场。谁会成为主流的p d a 操作系统? 要成 为主流的操作系统，首先是其技术的先进，另外还要依赖其支持厂商的实力，特别是市场的 运作能力。从目前来看，p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e p o c 和l i n u x 将成为p d a 市场的主流p a l m 在n e w t o n 退出之后一夜成名，其产品以其价格低廉、使用简单方便等特点确立了它在p d a 市场的优势，在和i t 巨头微软的w i n d o w sc e 酣战两年之后，居然占有了p d a 市场7 5 以 上的市场份额。p a l mo s 用市场证明了自己主流操作系统地位，其优势在短时间内也不会有 所动摇。微软的w i n d o w sc e 2 0 及其相应产品p a l m - - s i z ep c 在和p a l m 的竞争中处于下 风，但新近推出的p o c k e tp c 则令人耳目一新。在低端p d a 上，微软避开p a l m 的锋芒，而 强调了移动办公功能。在另一端，微软加快在智能手机领域的脚步，使它的手机操作系统和 浏览器得到手机厂商和运营商的认可。在国内市场上，p d a 厂商基本上采用微软的w i n d o w s c e 操作系统，这是因为p a l m 在国内市场上还基本没有推广，而微软在这方面已经做了很大 的投资，比如汉化工作等。但是，未来市场会怎样，还很预料。 l i n u x 在p d a 领域的表演则代表了一种思想和理念，即自由软件、开发源代码、服务。 从技术角度，l i n u x 有实力在p d a 操作系统中占有一席之地，从市场角度，它则是在p d a 领域向长期统治i t 领域的商业运作模式发起的另一项挑战。p a l mo s 、e p o c 、w i n d o w sc e 、 l i n u x 的后面则是老牌的计算机厂商、雄心勃勃的手机厂商以及电信服务商、因特网服务商 等几乎所有的i t 界元老新贵们的关注和参与。小小的p d a 搭成了大舞台，这里的竞争将会 空前激烈。 1 4p d a 伴侣 p d a 已经度过了市场培育阶段，逐渐成为主流消费品。根据商业周刊的预测，到 2 0 0 2 年p d a 的销售量会超过传统个人电脑的三倍。但就p d a 的功能而言，个人记事、名 片管理、电子书等功能远远不能满足消费者的需要，把m p 3 、m o d e m 、g p s 、u s b 、 b l u e t o o t h 等功能融合进传统p d a 势在必行。 以a n a l o gd e v i c e 公司的a d s p 系列信号处理芯片为例，p d a 微处理器用作主机数据 6 轩瞧酗掌t ：l 乜虢的 i i 咒jg 器蔹 处理，a d s p 芯片用作伴侣信号处理，就构成了p d a 硬件平台。而以a d s p 芯片为核心组 成的伴侣电路做成的扩展卡就像传统的p c 卡一样，可以按照用户的需要提供尽可能多的功 能，同时也为p d a 的扩展升级提供了更为快捷、安全的模式。图l 为p d a 及其伴侣的原理 框图- 其中包含了g p s ，m o d e m ，a u d i o ，u s b 及m o b i l ep h o n e 等可以任选的功能。 图1 基于a d s p 系列智能p d a 功能扩展选择 目前使用m o d e m 连接器的用户已达p d a 用户的5 ，随着i n t e r n e t 的高速发展以 及p d a 应用的普及，这一数字还会不断被刷新。m p 3 的方便下载并及时更新逐渐成为时尚， 这一功能已受到越来越多的用户欢迎。当然，随着用户群体的不同，p d a 伴侣的其它功能 也会有不错的市场。 特缱啦掌毡| 蝻昀蚺究i | 开敏 第二章智能型掌上电脑的总体设计方案 信息时代已经来临，随着“商务通”、“经理人”在国内红红火火的销售业绩，以及各大 媒体对p d a 的大肆炒作，人们丌始注意并接纳p d a 。他们需要p d a 有各种不同的用途， 轻便灵活快捷是他们追求的共性之一，大的存储容量以及资料下载，网上浏览当然必不可少。 出于我们对p d a 的开发处于探索阶段，技术资料及条件所限，通过对客户的调查，以实现 简单、成本低廉、回报丰厚、功能实用为宗旨，根据用户需求的共性，拟定了以下方案： 2 1 总体功能描述 本p d a 采用全中文操作系统，可方便地处理汉字( 可拼音、手写输入汉字) 。内部功 能强大，除了日程表、记事本、时钟、计算器、速记和百家姓等通用功能外，还具有5 0 万 汉字、一万张名片的超大存储容量。 该p d a 存储有理财、炒股、美食、网址录等大量个人常用信息，是处理个人日常事务 的好帮手。大体功能如下： 通用功能系统功能专业信息功能 1 百家姓1 设定 1 名片夹 2 计算器2 传输 2日程表 3 汇率3 管理3记事本 4 增值税 4速记 5 单位换算 5纪念日 6 存贷款 6理财 7 万年历 7炒股 8 汉英 8旅游 9 英汉 9法律 1 0 会话1 0 美食 1 1 游戏天地 1 1生活小窍门 1 2 网址录 1 3 特服号 1 4 邮编 2 2 硬件设计总体方案 m c 6 8 e z 3 2 8 芯片是摩托罗拉公司专为学上电脑丌发的款数据处理芯片，可以直接驱 垒丝垡! 丝丝型笙2 型 动l c d 显示，有专用的红外、u a r t 和s p i 接口，还可必直接驱动d r a m 。本硬件设计以 m c 6 8 e z 3 2 8 芯片为核心，附以电源电路及其它外围接口电路组成，其原理框图如图2 。它 由c p u 模块、m e m o r y 模块、触摸屏接口模块、l c d 接口模块、通讯模块、主电源模块、 按键模块、背光模块、电源模块以及音频电路模块等主成。 图2p d a 原理框图 本p d a 软件采用人机友好界面，每一功能都通过个图标直观的展现在用户面前，用 户只需要点击图标，使可进入该项功能菜单，这就需要触摸屏来响应用户的输入，配合软件 系统进行手写识别。为了在晚间或昏暗的条件下使用，还必须加上液晶背光。电源管理对整 个p d a 的功耗及选择进入各种运行模式都起着至关重要的作用。f l a s h 用于存放p d a 操作系 统和用户程序，d r a m 则存放用户数据及部分资料。为了方便用户的操作，及时进入各种快 捷菜单，还设计了五个快捷按钮( 即功能键) 。红外模块支持通用红外协议，用于数据交换 和资料下载，r s 2 3 2 模块用于系统的初始化、文件传输等功能。音频模块用于按键输入发声 及各种故障提醒。 考虑到设计的成本及周期，本p 口a 中没有加入m e m 、g p s 、m f ) 3 等模块。 一 ! 丝丝丝! 型丝丝! 型 2 3 软件操作系统设计总体方案 p p s m ( p e r s o n a lp o r t a b l es y s t e mm a n a g e r ) 是m o t 。r o j a 专为龙珠系列微控制器开发设 计的一种精简的操作系统，本软件将基于p p s m ，继而开发其它应用程序，使得整个操作系 统占用内存小，运行高效具体特点如下： 夺运行环境 用户界面 为方便使用，软件系统的用户界面为图形界面。全部的系统功能以控件形式出现在 初始界面中，用户仅需简单地点击表示某项系统功能的控件或图标，就可方便地执 行某个系统功能。 硬件接口 本软件运行在p p s m 操作系统的平台之上，在硬件平台的协议支持下，可通过红外、 r s 2 3 2 与其他设备进行数据通讯。 软件接口 本软件采用c o d e w a r r i o r 编译工具，编程语言为c ，c + + ，并可用p a l m 的 e m u l a t o r 仿真工具。所有的应用软件都可在e m u l a t o r 上进行演示。 通讯接口 本软件系统采用r s 2 3 2 通讯协议与p c 进行数据通讯，并采用标准红外协议与同类 设备或支持红外的设备进行数据交换。 夺故障处理 在系统软件的的运行过程中，对一般的操作错误可给出错误警告和操作提示，以 防止数据的丢失和系统死机： 对严重的系统错误，如用户试图修改系统的专用数据段数据或运行不合法的应用 软件，将会进入系统的异常处理模块。 同时，本软件具有在线帮助功能，可对用户操作过程中遇到的问题进行在线帮助查 伯i 。 夺可使用性 本软件将具有友好的人机界面，每一功能都通过一个图标直观展现在用户面前，用 户只需要点击图标，便可进入该项功能菜单。 覆盖全面的帮助功能可在线解答用户使用过程中遇到的疑问。 可通过软件的异常处理、r e s e t 键复位、电源复位等方式保证软件在各种情况下故 障排除后j 下常使用。 安全性 奸钝蛩荦 ：也触帕d t 究t ， 笈 系统设有密码保护功能和对某些重要信息删除、修改操作的提示功能，防止偶然 或恶意访问、使用、修改或泄密。 夺可维护性 用户可根据个人需要和工作要求，灵活地对系统界面进行管理维护；对用户的个人 信息( 名片夹、记事本等) 可随时进行增删、修改、编辑，应用软件的升级、添加都简 单易行。 鹌? 能堑荤乜酗掰f 览t f 稚枝 第三章智能型掌上电脑的硬件设计 3 1 模块特点及用途 硬件特点 l1m c 6 8 e z 3 2 8c p u 一6 8 e c 0 0 0s t a t i cc o r e l c dc o n t r o l l e r p w m _ u a r t s p i 一8c h i ps e l e c t r t c 一1 6 b i tt i m e l 2 ) 存储器子系统 - - 2m bs r a m ( 备用方案) - - 4 m bf l a s h r o m 一8 m b d r a m 3 1l c d 和触摸屏 一m c 6 8 e z 3 2 8l c d 接口 一4 通道m a x i m 公司m a x l 2 4 61 2 位a d 用于手写输入 一手写笔中断逻辑 4 1 电源m c 3 4 2 8 0 一普通电源3 3 v 输出 一辅助电源+ 5 v 到+ 2 5 v 可控 一低电压监测 5 1 主板操作模式 一支持8 位或1 6 位数据总线宽度 - - m c 6 8 e z 3 2 8 普通模式 一支持e m u 模式 一支持b o o t s t r a p ( 导) 模式 6 1 快捷键盘 一支持快捷菜单 暂能驰卓t ：| 址躺镌蚺究| f 歼艇 一支持键盘中断 软件支持 以m c 6 8 3 2 8 芯片为核心的主电路板可以被多利：操作系统兼容，包括w i n c e 、 p a l mo s 、p p s m 和l i n u x 等。同时板上大容量的存储器可以使用户随身携带更 多信息以及运行更多的应用软件。 硬件接口及应用 系统配备r s 2 3 2 口，极易与计算机通信，实现信息交流、系统的初始化及程序 下载。 红外接口可以同其它支持红外通信协议的外设交换数据，如网上浏览、电话列 表、备忘录和商业卡等。 快捷键与触摸屏 功能键的设置使系统操作更为方便，相应的快捷菜单即按即得。用户可以在触 摸屏上输入信息并操作系统，方便地实现电源管理、l c d 背光、灰度调节、手写输 入及通讯等功能。 3 2 模块详细设计 h c 1 硬件设计采用m o t o r o l a 龙珠芯片( m c 6 8 e z 3 2 8 ) 作为微控制器，并由相应 外围电路组成c p u 模块，附以m e m o r y 模块、触摸屏接口模块、l c d 接口模块、 通讯模块、主电源模块、按键模块、背光模块、电源模块以及音频等电路模块，其原 理框图如图2 ，下面详细介绍各模块及其设计原理。 夺c p u 模块 m c 6 8 e z 3 2 8 ( d r a g o n b a l l e z ) 微处理器是龙珠芯片的第二代产品，集 成了功能强大的m c 6 8 e c 0 0 0 处理器和其它智能外设模块及典型的系统接口 电路，其模块框图如下图3 ，图5 为m c 6 8 e z 3 2 8 信号分组图。其特点如下： m c 6 8 e z 3 2 8 的内核m c 6 8 e c 0 0 0 采用低功耗的高速c m o s 工艺， 有3 2 位地址总线和1 6 位数掘总线，1 6 个3 2 位的数据和地址寄存器， 5 6 条功能强大的指令并支持多种高级语言，7 级优先级控制器和1 4 种寻址模式及5 种数据类型。此内核与其它m 6 8 0 0 0 系列完全指令兼 容。 片选逻辑和总线接口：系统控制寄存器( s c r ) 用以配置系统状 瓠姥拙掌tl 址赫的研究l f 开垃 态和控制逻辑、寄存器双映射、总线错误产生以及m c 6 8 e z 3 2 8 内保 护模式控制寄存器。m c 6 8 e z 3 2 8 有8 个可编程通用目的片选信号线， 每一片选块可以选择只读或写以及读写存取模式，d t a c k 信号是否 自动产生及其产生之前的等待周期数和数掘总线宽度( 8 位或1 6 位) 都可以选择。外部总线接口处理内核与存储器、外设或外部地址空 间其它处理单元的数据交换。 图3c p u 结构图 锁相环和功率控制：外部晶振或内部锁相环( p l l ) 振荡器都可 以产生系统时钟。为了节能，可以关掉不用的外设、降低微处理器 时钟或禁止处理器。从低功耗模式返回会产生中断，可编程中断源 可以唤醒系统。 中断控制器对内外中断分配不同的优先级，同时给每个中断唯一 的中断向量号，每个中断都可屏蔽，进而高效地处理各种中断。 并行通用目的i 0 口支持最多4 5 个i o 口，每个口可以随意配置 为通用目i 0 口或专用外设接口，每个管脚都独立可编程。 脉宽调制器用于语声音输出，5 个字节的f i f o 使得c p u 在数据 送达p w m 时可以处理其它中断。 通用目的计时器可以工作于多种模式，包括记录外部事件时间、 定时触发外部事件或中断以及记录事件发生的次数。8 位前最分频器 对计时器驱动时钟编程。 s p i 主要川：f 控制外部设备，数拂：传送承| 殳发都与s p i 时钟同步。 鹳1 毵蛩辇n n 舳研究j _ 于 - 敏 在主模式下通过s p i 同步寸钟数据可以出c p u 发送到外设。 u a r t 和i r d a 支持标准的异步通讯协议于外设通信，波特率为 3 0 0 b p s 1 15 2 b p s ，u a r t 能够提供脉冲直接驱动标准的红外收发设 备。 实时时纠吩辨率可达1 秒，它能保持时间正常运行在s l e e p 和 d o z e 模式下，看门狗时钟会随时监视系统运行状态并正确复位。 l c d 控制器用于控制l c d 模板的数据显示，把数据从存储器取出 并提供控制信号、帧和行脉冲和时钟信号，再送去显示数据。它支 持黑白s t nl c d 显示屏及1 6 级灰度控制。系统r a m 可用作显存， d m a 直接刷新l c d 显示而不需要c p u 干预。 图4存储器映射图 在线仿真模块是为低廉仿真器设计的，系统存储器中0 x f f f c 0 0 0 0 o x f f f d f f f f 由e m u c s 信号管理指向仿真调试监视器。 引导模式通过u a r td 端口下载数据和编程系统存储器而不需预 装监视或引导码，还可以执行在目标系统上一些简单的硬件调试程 序。 d r a m 控制器提供完好的连接与市面上大多数d r a m ，可以连一 到两块最大容量为4 m b ”e 的d r a m 存储嚣映射如l i z 14 ，系统复位基地址为0 x f f f f f 0 0 0 或o x f f f f 0 0 0 丝丝垡! ! 丝鲨型堑：丝 ，一一+ 叫? ：仁= ，1 可_ + t _ h 卜j _ i j “t 2 ；c = =j 一 一e o 1 一e 0 ；i 仁 ：一二，- i 仁： 。 _ 。一玎 ， 1 、u 之乡之乡之岁 = 1 一i - i 卜- 卜 bj 吲如 口= ：、1 i + ，： # 一_ - h + 1 ：叮一io ! 一 + o i 、，一一l ：r l r 。r 。_ ，。_ - h 6 - ，- o - 叫! i + 。可一t ! _ - 。，专t + l f l 砸瓤豫 3 3；焉莲：盲j 二： 舔麓：蕞i 嚣： 。i i f f 7 一：? ；： 3 一。二，；叠：二；：f r 夺存储器模块 图5m c 6 8 e z 3 2 9 信号分组图 表1 存储器片选信号 2 m bs r a m ( 备用)c s b o 8 m bf l a s ic s a o 4 m bd r a m r a s 1 ：0 ，c a s 1 ：0 6 8 e z 3 2 81 n t e r n a i r e ( ；1s t i ：r s c p u 支持f l a s h 、d r a m 、s r a m 、m a s k r o m 等存储设备，本电路采 智瞧垫掌t | 哇啦的研究与开敖 取8 m bf l a s h ，4 m bd r a m ( 2 m bs r a m 备用) 的组合方式，f l a s h 用于存放操 作系统和应用程序以及一部分用户数据，d r a m 主要存放用户数据和l c d 显示 数据( s r a m 为备用方案) ，而数据的保存主要依靠系统主电源和备用电源。存 储器片选信号分配如表1 ： f l a s h 模块 图62 8 f 3 2 0 c 3 结构图 2 8 f 3 2 0 c 3 为i n t e l 公司用0 1 8 微米工艺推出的基于块的闪速存储器， 图6 为f l a s h2 8 f 3 2 0 c 3 内部结构图其最大存储容量为4 m 字，1 2 8 位 保护寄存器作为f l a s h 唯一识别标志，采用应用灵活的智能电压工艺 ( 2 7 3 6 v 读、写、擦除及1 2 v 快速编程) 。最大存取时间为7 0 n s ，功 耗极低，其灵活的块锁定特征允许任一存储块锁定或解锁从而提供代码 保护。 用户命令接1 2 1 ( c u i ) 用于管理微处理器( 或微控制器) 与f l a s h m e m o r y 之间的连接。写状态机( w s m ) 自动执行编程和擦除算法及时 序( 包括校验) ，从而释放微控制器( 或微处理器) 。状态寄存器用于显 示w s m 的状态。2 8 f 3 2 0 c 3 结构图见图6 。 2 8 f 3 2 0 c 3 提供两种节能方式，即自动节能( a p s ) 和等待模式。读 周期结束后f l a s h 自动进入a p s 模式，当系统初始化时且片选信号c e # 无效时进入等待模式。 有关2 8 f 3 2 0 c 3 的编程、读写、擦除程序流程参见2 8 f 3 2 0 c 3 资料。 d r a m 模块 h y 5 1 v 6 4 1 6 4 a 是一种6 4 m 位动态的扩展数据输出模式( e d o ) c m o s d r a m ，组织方式为4 ，1 9 4 ，3 0 4 1 6 b i t e d o 模式使其效率高且功耗低， 最优存取时间为5 0 或6 0n s ，刷新时间为6 4 m s ，先进的电路设计和处理 工艺允许器件达到高带宽和低功耗高可靠。图7 为h y 5 1 v 6 4 1 6 4 a 功能 块图。 智睫鸷攀l l 乜赫的研究开发 v v 毫 l c s n 蕊 图7h y 5 1 v 6 4 1 6 4 a 功能块图 夺触控屏l c d 显示模块 本产品支持手写输入，采用了触摸屏方式，这就需要精确高速的采样 控制电路。a d s 7 8 4 3 是一种精确的8 或1 2 位a d c ，通过同步时钟与m c 6 8 3 2 8 相连，它具有内部开关控制触摸屏的驱动，l c d 显示器和触摸屏都分别选 用了三星的u g 。1 6 r 0 2 f g h t 3 - x 和p t 0 3 8 0 0 5 a 。典型接口电路如下图8 ： 液晶显示驱动电压较高，所以采用m c 3 3 1 7 4 运放产生四级驱动电压， d 3 5 8 d 具有较大的输出功率和可调输出频率。而对比度调节则由m c 6 8 3 2 8 p f 0 脚产生2 5 6 级灰度调节。 蟹能查掌。i ：电虢的研究s 开发 p b 6c s s p m c l ks c l k s p m r x dd o u t a dc o n m c 6 8 3 2 8 m a x l 2 4 6 p m t x d i r 0 5p e n i r q 图8l c d 信号接口图 触摸屏接口a d c 芯片m a x l 2 4 6 m a x l 2 4 6 为1 2 位数据采集芯片，集成了4 通道多路复用、宽带采 样保持和高速转换、低功耗的串行接口。工作电压为+ 2 7 v + 3 6 v ，单 电源供电模拟输入端 可软件配置成单双极 和单端差分模式图 9 为m a x l 2 4 6 典型工 作电路图 四线串行接口可直 接连接到微控制器的 s p i q s p i 接口无需外接 逻辑电路m a x l 2 4 6 使用内部时钟或外部时 钟执行大致持续的模数 转换m a x l 2 4 6 内部 参考电压为2 5 v l 甘 h 主i = 图9m a x l 2 4 6 典型工作电路 本模块有物理关断管脚( s h d n ) 和软件选择关断模式，转换结束 自动关断可编程，存取串口自动开启，使得关断静态电流为1ua 3 v 供电采样频率l k b p s 时，功耗为5 4 ua 外部时钟时序图如下图1 0 图1 0m a x l 2 4 6 夕阔州钟悯 9 蟹瞧墼掌l ：| 旺被啦磷究畸开发 背光驱动模块 d u r a l 的d 3 5 8 d 是一种丌关模式的i c 背光驱动器，可以简化e l 背光系 统设计，它具有很高交流电压输出，使得d 3 5 8 d 能够有效驱动较大的e l 灯组下图1 1 为其典型接法和典型输出 典型输出： 亮度= 5 2 f l ( 1 7 8c d m ：1 灯频率= 3 0 0 k h z 电流- - 4 8 m a。 v p p 2 1 8 5 1 0 0q 电阻用于减少电噪声 图11d 3 5 8 d 典型连接图及典型输出 电压驱动模块 m c 3 3 1 7 4 为四路单电源供电的宽带( 1 8 m h z ) 运放，具有高输出阻抗 低输入阻抗及高增益宽带操作电压( 3 0vt o4 4vo r 士l5vt o 4 - 2 2v ) 特性， 输入偏置电压为2 0 m y ，具有输出短路保护，o 5 0 0 p f 大电容驱动。 l c d 显示模块采用三星的u l - 1 6 r 0 0 2 cb p ，主要性能指标为 显示格式为1 6 0 1 6 0 点阵 4 位并行数据输入，显示颜色为黑白两色 背景色为浅黄色，采用e l 背光， 有2 5 6 级对比度调节。 触摸屏的基本参数如下： 晟大直流供电电压7 v ，使用温度范围为2 0 6 0 。 电器特性： 各层电阻特性： “x ”方向：2 0 0 9 0 0 q ( 典型3 5 0 q ) “y ”方向：2 0 0 9 0 0 q ( 典型3 5 0 q ) 绝缘阻抗：大于2 m 功耗：6 0 m a 非线性： “x ”方向：不高于1 5 “y ”方向：不高于1 5 反应时间： 1 0 m s e c 或更少( 附有1 0 0 k 上拉电阻) 光学特性： 蟹匏匏掌上电虢曲研究与开技 薄板表层：防眩 透光度：9 0 光度：1 0 4 模糊度：1 l 清晰度：8 6 机械特性 操作灵敏度：8 0 9 或更少 输入方式：手指或笔 表面硬度：合符a s t m3 3 6 3 - 9 2 a 的4 h 刮度 排线热封强度：与触控屏成9 0 度方向施压，可承力8 磅 产品厚度：3 1 m m 表面耐磨度：3 h 可靠度 手指触摸耐用度：5 0 0 万次 笔划耐用度： 一5 0 0 万次 解析度：1 6 0 1 6 0 夺i o 键盘接口模块 硬件电路上设计了6 个功能键( 3 个备用扩展) 用于快捷菜单，其原 理图如下图l2 。 键盘设计采用矩阵方式，利用处理器的中断口和通用目的输入输出 甜鲢蛩轳也酗的女i f y u s f 发 端口进行设计。 图1 3m c 3 4 2 8 0 典型应用结构图 夺电源管理模块 m c 3 4 2 8 0 是一种具有低静态 乜流的智能电源管理模块，主要有两路可 凋节的输出，一路调制输能够被外部调节到2 7 v 5 v ，用于主电源供电。 另一路为带有片内功率场效应管的辅助电源，输出可以调节到很宽的正电压 输出范围( 5 0 2 5 v ) ，用于l c d 驱动。 m c 3 4 2 8 0 用于电池供电的手持设备，具有低至i v 的启动电压和很低的 静态电流( 典型值为3 5ua ) ，特别适合1 至2 节a a a a a 电池供电。片上 管理功能包括低电压监测，c p u 电源好复位，备份电源控制等。所以，m c 3 4 2 8 0 是p d a 和电子辞书单片电源管理方案的良好选择。图1 3 为m c 3 4