（信号与信息处理专业论文）基于mtk平台的手机超长待机功能的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼皇曼蔓曼曼曼曼曼! i i l。 。i _一i i n 穹曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼 摘要 随着手机技术的高速发展，手机配置越来越高、越来越好。伴随而来的手机待机 问题也成为人们关注的焦点，超长待机功能的开发成为一个迫切需要解决的问题。 本文采用m t k 公司的m t 6 2 2 5 手机平台作为开发平台，主要是对手机超长待机 功能的研究与实现。结合所学理论知识，文中分析了m t k 平台手机的硬件组成、软 件结构、工作原理，着重研究了作者所在实习公司的手机开发平台的硬件芯片模组和 软件模块划分及其设计方法。掌握了该平台的软硬件工作原理、设计思路和开发调试 工具，为超长待机的开发奠定了基础。 论文首先按照项目工程需求，分别从硬件和软件两方面研究超长待机功能实现的 技术途径。其中，软件设计是本论文的主要研究工作。由于硬件外设的l c d k e y p a d 背光、音频功放以及b t c a m e r a j f m 驱动模块的漏电是电量消耗的主要原因，因此软 件方面主要对其进行优化设计，减少无谓电量损耗。本文详细设计了省电模式、省电 设置以及自设时问段防来电骚扰三个功能模块。省电设置模块包括一键省电、通话省 电、低电量自动启动省电模式以及背光设置。达到了手机省电目的，实现超长待机。 该设计遵循模块化原则，提供友好的系统界面，在满足用户使用的条件下，尽可能减 少耗电电流，以实现超长待机。 在功能模块实现过程中，详细设计了各功能模块的数据结构和数据存储。同时为 了实现对数据流的控制，设计了更优的r e c o r d 方式读写n v r a m 。低电量启动省电模 式的设计中，改进了传统电池电压检测的算法，极大地提高了检测电池剩余电量的效 率和准确度。 此外，通过将软件在p c 机上进行仿真并在手机上进行综合测试，验证了各个功 能模块的讵确性。通过完成了样机的开发并通过系统集成测试，验证了该系统软硬件 的可行性。 关键字：移动通信；m t k ；超长待机；软件省电； a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l et e c h n o l o g y , m o b i l ep h o n ec o n f i g u r a t i o ni s b e c o m i n gh i g h e ra n db e t t e r a sar e s u l t ，n o wl o n gs t a n d b yf o rm o b i l e 。p h o n eh a sb e c o m ea f o c u so ft h ea t t e n t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fs u p e m o n gs t a n d b yh a sb e c o m i n ga l lu r g e n t p r o b l e mt ob es o l v e d t h ed i s s e r t a t i o na d o p t sm t 6 2 2 5 ，am o b i l ep h o n ep l a t f o r mo fm e d i a t e k , a st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，i tm a i n l yf o c u s e do nt h ef u n c t i o nr e s e a r c ha n da n a l y s i so fm o b i l e p h o n e sw i t hl o n gs t a n d b y t h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r es t r u c t u r e ，w o r k i n gt h e o r ya n d r e a l i z a t i o nm e t h o da r ea n a l y z e db a s e do nt h et h e o r e t i c a li n f o r m a t i o n w i t h i nw h i c ht h e p a r t i t i o no fh a r d w a r em o d u l e sa n ds o f t w a r em o d u l e sa n di t sd e s i g nd i v i s i o nb a s e d o nt h e c o m p a n y sm o b i l ep h o n ec h i pd e v e l o p m e n tp l a t f o r m w i t ht h ek n o w l e d g eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ew o r k i n gt h e o r y ，d e s i g nm e t h o da sw e l lt h ed e v e l o p m e n tt o o l ，t h ed e v e l o p m e n to f n e wf u n c t i o n sa r en o wo fas t a b l eb a s e f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d o ft h ep r o j e c t , t h ea r t i c l er e s e a r c ht h et e c h n o l o g yp a t h o fs u p e r - l o n gs t a n d b yb o t hf r o mh a r d w a r ea n ds o f t - w a r e t h e n ，t h es o f t w a r ed e s i g ni st h e m a i nr e s e a r c hw o r ko fo u ra r t i c l e ，a n dt h eh a r d w a r ed e s i g nc h o i c e st h ec o m p o n e n t sw i t h h i g hp e r f o r m a n c e a sw ek n o w , t h eh a r d w a r ep e r i p h e r a l sl c d k e y p a d sb a c k l i g h t 、t h e a u d i oa m p l i f i e ra n dt h eb t c a m e r a f md r i v e rm o d u l e p o w e rl e a k a g ea r et h em a i n r e a s o n so ft h ep o w e rc o n s u m p t i o n t h e nt h es o f t w a r ei sd e s i g n e dt oo p t i m i z et h e m ，s ot h a ti t c a nr e d u c et h eu n n e c e s s a r yp o w e rc o n s u m p t i o n t h ep a p e rd e s i g n st h r e em o d u l e sd e t a i l e d l y s u c ha s - t h ep o w e r - s a v i n gm o d e ，p o w e rs e t t i n g sa n ds e t t i n gt i m ep e r i o ds i n c ei n c u g e dt h e a n t i h a r a s s m e n tc a l l s t h ep o w e r - s a v i n gm o d u l ei n c l u d e sak e yp o w e r , c a l ls a v i n g ，l o w p o w e rs e tu pt h ep o w e rs a v i n gm o d ea u t o m a t i c a l l ya n db a c k l i g h ts e t t i n g s i tc a na c h i e v e t h e a i mo ft h eh a n d s e t sl o wp o w e r ，a n dt h es u p e m o n gs t a n d b yc a nc o m et r u e t h ed e s i g nk e e p s t ot h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o n ，c a np r o v i d eaf r i e n d l ys y s t e mi n t e r f a c e ，a n db e s i d e st o m e e tu s e r s c o n d i t i o n s ，i ta l s oc a nm i n i m i z ec u r r e n tc o n s u m p t i o ns ot h a tt oa c h i e v el o n g s t a n d b y i no r d e rt oa c h i e v et h ep r o c e s so ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e ，t h ed a t as t r u c t u r ea n ds t o r a g e o fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ea r ed e s i g nd e t a i l e d l y m e a n w h i l e ，i no r d e rt oa c h i e v ed a t af l o w c o n t r o l ，w ed e s i g nt h em o r ee x c e l l e n tr e c o r dw a y t or e a do rw r i t en v r a m t h en e w d e s i g nt h a ts t a r t i n g t h es a v i n gp o w e rm o d ew h i l el o wp o w e r , h a sa m e l i o r a t e dt h e c o n v e n t i o n a lb a t t e r yv o l t a g ed e t e c t i o na l g o r i t h m ，a n di tc a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n da c c u r a c yo fd e t e c t i n gt h er e m a i n i n gb a t t e r yp o w e r i na d d i t i o n , b ys i m u l a t i n gt h es o f t w a r eo nt h ep ca n dd o i n gc o m p r e h e n s i v et e s t i n go n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 li 页 t h em o b i l ep h o n e ，t h ec o r r e c t n e s so f e a c hm o d u l ei sv a l i d a t e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g n i sv e r i f i e db yc o m p l e t i n gt h ep r o t o t y p ed e v e l o p m e n ta n ds y s t e mi n t e g r a t i o nt e s t i n g k e y w o r d s ：t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；m t k ；l o n gs t a n d b y ；m o b i l ep h o n e ；s a v i n gp o w e ro f s o f t w a r e 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：素闷矫 日飘：切f o 6 。| l 指导老师签名： 日强：, o l o 6 。 l 格一 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本论文在深入研究m t k 平台的基础上，完成手机超长待机功能的软件设计与实 现。其中包括： ( 1 ) 设计数据存储方式。采用比传统方式更优的r e c o r d 方式设计读写。 ( 2 ) 设计并实现省电模式、省电设置、自设时间段防来电骚扰模块功能。并对手 机电池电路的检测采用系统进程调度管理的方式，提高了检测电池剩余电量 效率。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：囊司娇 b 飘：翟l 移6 。l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 随着通讯技术以及多媒体技术和移动互联网的发展，手机技术得到了高速发展， 配置要求越来越高、越来越好。最开始的手机，只有一块小小的黑白屏幕，只支持单 音电子声，只能拨打电话。而现在的手机具有1 6 7 0 万色素、尺寸达到5 英寸甚至以上 的大屏幕，几乎包含了所有主流娱乐功能，如：高像素数码相机、大容量高速储存卡、 移动办公、丰富多彩的游戏、音乐视频播放、w i f i 、无线上网、g p s 定位、3 g 视频 通话以及其他强大的扩展能力等。这些功能使手机工作时的电流不断增加，功率损耗 不断增大，而手机作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，对于现在 功能强大的手机而言，特别是c p u 主频高的手机而言，手机俨然成为了“电池杀手”。 即使仅仅是待机，也会在相当短的时间内将电量耗尽因此待机时间长短便成了人 们购买手机关注的标准之一，超长待机的开发成了当前急切需要解决的问题。 待机时间首先想到的是电池容量的提高，提高电池的容量的确可以减轻电量消耗 的压力。然而手机配备的电池以锂离子电池为主，虽然锂离子电池的能量密度比以往 提升了近3 0 ，但是仍不能满足手机发展需求。就目前使用的锂离子电池材料而言， 能量密度只有2 0 左右的提升空间，远远跟不上手机发展的脚步【lj 。电池的发展已经 到达了瓶颈，如果这个瓶颈在未来无法突破，那将会很大程度的制约手机多功能高频 率使用。人们现阶段能做的更多是从新能源的角度出发，逐渐找到能够取代锂离子电 池的新型电池。一种被业界普遍看做是未来手机电池发展趋势的燃料电池，能使手机 的通话时间超过1 3 个小时，待机时| 、日j 长达1 个月，但是这种电池技术仍不成熟，离商 用还有一段时洲2 1 。增大手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。 超长待机并非简单的电池容量增大，而是一项综合技术。节能省电是超长待机的 第二大保障。节能省电正是现在和未来产业发展的趋势，随着哥本哈根会议，这一点 已经成为全球共识。现在很多手机设计理念都把节能省电落实到每个环节，节电短信、 节电拨号、节电通话、节电音频、节电电路、节电模式、芯片节能省电技术、动态电 源管理技术、软件控电系统、系统节电技术、动力安全保护板等等，几乎关于手机功 能和部件的所有环节，无论巨细，无一遗漏，综合到一起，愈加显示节能省电的奇效。 事实上，低功耗设计已经成为手机设计中一个越来越迫切的问题。 因此，从手机的总体设计入手，硬件上应用先进技术和性能指标比较高的器件： 软件上在满足用户使用的条件下的前提下，尽可能对软件进行降低功率损耗的方案设 计，来减少它们的耗电电流。尽可能延长手机的使用时间和待机时间，实现超长待机。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 超长待机作为未来手机发展的大趋势，即使是国际手机巨头诺基亚和飞利浦，也 表示了极大的兴趣并尝试推出了一些产品，如诺基亚e 5 5 号称超长待机3 0 天，飞利 浦x 6 2 0 号称超长待机5 0 天。三星和l g 也另辟蹊径，各自都推出了太阳能电池的 手机，让用户能在一定程度上解决待机时问的困捌3 1 。 目前国内手机厂商大部分用的是台湾联发科技有限公司( m t k ) 的手机平台。各 大手机外围设备的生产厂商根据手机的发展趋势，进行相应的新产品开发，超长待机 已经深入人心。这两年国产品牌的很多厂家都在努力研发和推广超长待机，以此来增 强他们的市场竞争力。外资品牌处于劣势，即使外资旗舰机型，电池续航能力都十分 有限。国内厂商比如长虹公司推出的长虹长动力3 6 5 手机超长待机长达1 0 0 天，c e c t 推出超长待机1 5 0 0 小时的手机c 1 0 0 0 ，续航能力长达6 0 天。还有金立，联想等相继 推出超长待机手卡几i 引。 1 3 论文的主要任务和结构 本课题基于台湾联发科技有限公司( m t k ) 提供的平台，对手机的l c d 、c a m e r a 、 蓝牙、音频功放，射频等各个模块的省电技术做了研究，并从软件上进行省电设计， 以使手机降低功耗，实现超长待机。具体工作内容可分为如下几个阶段： 第一阶段：在原有软硬件基础理论上熟悉g s m 手机系统的软硬件构架。首先了 解手机芯片构成以及手机工作原理。然后是软件系统的模块划分，模块间的接口；了 解系统结构框架，对手机系统进行深入学习。 第二阶段：在理解了手机软硬件架构的基础上，从硬件和软件两个方面研究省电 技术途径。并且重点从软件方面着手，基于硬件外设部件耗电量比较大的l c d k e y p a d 背光，b t c a m e r a f m 驱动模块漏电以及音频功放等方面造成的无谓电量流失三个方 面方面进行省电分析。 第三阶段：对手机省电技术途径的研究分析基础上，软件上对各个模块功能进行 设计，实现功能，验证设计的可行性。达到降低功耗，实现超长待机目的。在设计过 程中应遵循模块化原则，提供友好系统界面。 根据本人所完成的工作，本论文组织工作如下： 本论文组织工作如下： 第一章：介绍课题的研究背景、手机待机研发的国内外现状以及简述本文的研究 内容。 第二章：分析手机平台，并且介绍m t k 平台优势。分析m t k 平台的手机软硬件 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 架构和手机工作原理，最后介绍手机的呼叫控制管理，为后续手机功能的设计奠定了 基础。 第三章：分析手机待机的内在因素和外在因素，并且从内因介绍手机超长待机的 技术途径，重点介绍基于硬件基础上的软件技术途径。 第四章：从软件技术的节能省电着手。设计省电模式、省电设置、自设时间段防 来电骚扰模块功能；并且通过优化驱动模块设计，防止手机漏电。达到省电目的，实 现手机超长待机。 第五章：对设计的手机功能进行调试和实现，并且通过集成测试验证设计的可行 性。 最后是对本论文的总结与展望。总结本论文的主要工作，同时分析该课题需要完 善的工作，展望该课题的进一步研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 1 手机平台分析 第2 章手机软硬件架构 一个完整意义上的手机平台，指的是有开发潜力的平台，该平台首先应具有良好 的可扩展性和升级性，可最大限度满足用户的个性化需求，同时一个完整的平台还需 要供应商有能力提供外围软硬件资源，这种资源的多寡，来源于企业的技术积累，也 决定了供应商开发平台的优势所在。 对于手机平台而言，其关键是核心处理器。在以语音通信为主的时代，这个“核 心指的是数字基带处理器；而随着多媒体手机时代的到来，越来越多的多媒体处理 功能需要由一个独立于基带处理器、专门的应用处理器来完成，这些处理器可为手机 平台的开发带来潜在的“增值 功能。因此，今天手机平台的开发，在很大程度上取 决于这类应用处理器的开发与研究。 当前手机市场上的主流平台包括t i 、m o t o l o r a 、p h i l i p s 、i n f i n e o n 、展讯a d i 和 m t k 等。其中优势各有千秋，下面就m t k 平台和a d i 平台作一比较，分析一下m t k 平台在手机开发方面占据的优势【5 】。 ( 1 ) 开发时间 a d i 平台开发一款彩屏手机的时间差不多需要1 6 个月，而m t k 平台一款手机从 开发到上市的时间一般不超过3 个月。这大大缩短了产品上市的时间，使得整个产品 的开发速度相当快。 ( 2 ) 开发难度 m t k 公司提供全套的解决方案，开发难度比较低。a d i 公司只提供硬件上的支 持，软件是英国的公司t t p c o m 提供，并且在m m i 层面也是一个非常小的m m i ， 使得手机的开发难度非常大，基本上是在做很多不增值的部分。 ( 3 ) 开发工作的增值性 a d i 平台有许多功能没有提供，需要花大量时间来解决基础问题，而m t k 公司 已经提供了比较完善、全面的解决方案，所以开发工程师就可以腾出大部分时间在增 值部分加大投入。比如增加蓝牙、红外、增加短信的存储容量、增加短信、电话本的 查找功能等等。 ( 4 ) 平台升级特性 a d i 平台一般开发周期长，且平台升级慢。从黑白机做到彩屏摄像手机，差不多 经历四年时间，且仅有两个平台。而m t k 平台在两年多的时间里，已经有了已经有 了6 2 0 5 6 ；2 1 9 6 2 2 3 6 2 2 5 6 2 2 6 6 2 3 5 6 2 5 3 等多个平台，平台之间升级很快。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 5 ) 价格比较 m t k 平台完工率高、开发周期短、易移植、产品上市快，在时间成本、机会成本 以及工程师的增值开发对消费者的溢价者等综合因素方面，都占有很大的优势，所以 整个价格优势非常明显。 2 2 硬件平台结构 基于m t k 的特殊优势及在国内普遍性，本文采用m t k 公司的m t 6 2 2 5 作为开发 平台，下面面来对m t 6 2 2 5 手机平台结构进行阐述。 从m t 6 2 2 5 硬件架构来看，该系统主要由芯片组和一些外围器件构成。主要的硬 件模块包括【1 8 】： 基带芯片：该芯片由a r m 7 微处理器、d s p 和一些外围设备组成。主要用于 实现g s m g p r s 的链路层和网络层协议，控制r f 模组和b s s 通信，同时运 行其它软件实现手机的附加功能，例如显示、拍照和m p 3 等。 射频芯片：由收发信机m t 6 1 3 9 、功率放大器r f 3 1 4 6 和天线开关组成。主要 完成g s m g p r s 协议栈的物理层功能、实现突发脉冲的发射接收、射频调制 解调功能。 电源管理芯片：主要负责电源管理和给系统提供各种稳定的电压。 外围设备：其中键盘、液晶l c d 用于输入、输出显示，c a m e r a 模组提供照 相和动画录像等多媒体功能，n o rf l a s h 芯片用于存储整个手机软件和用户数 据，n a n d f l a s h 用做u s b 存储器。整个手机的硬件架构如图2 一l 所示i l 圳。 誓誓 图2 1 手机硬件架构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 皇曼! 曼! 皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼! ! 曼曼i i = ；i | 1 曼! 曼! 曼曼曼曼! ! 皇曼曼曼曼! ! 曼曼曼 2 2 1 基带芯片6 2 2 5 本设计选取的基带芯片m t 6 2 2 5 ，是一款高度集成的双内核结构单芯片，不仅支 持g p r sc l a s s1 2 m o d e m ，同时还提供全面、先进的多媒体解决方案。该芯片集成了 a r m 7 e j s t m r i s c 处理器和d s p 处理器，其中a r m 7 e j s t m 是主处理器，主要用 于运行g s m g p r s 上层协议软件、多媒体应用、外设驱动程序，如先进的显示引擎、 音频合成与6 4 个复音、数字音频播放、j a v a 加速和m m s 等。此外，其还提供了多种 先进的接口来进行功能的扩展，如三端口的外部存储接口、三端口8 1 6 位并行接口、 n a n df l a s h 、i r d a 、u s b 和m m c s d m s m s p r o 等；d s p 处理器则处理底层的调制 解调以及复杂的语音功能。除了一些混合信号电路，其他m t 6 2 2 5 的内置电路或者和 微控制器或者和数字信号处理器相联。其典型应用如图2 2 所示1 2 0 1 。 图2 - 2m t k 平台应用框架图 m t 6 2 2 5 由以下子系统组成： 微控制器单元子系统( m c u ) - 主要包括一个a r m 7 e j s 处理器，内存管理单元和 中断处理逻辑。 数字信号处理子系统( d s p ) - 包括一个d s p 处理芯片，以及它自带的中断处理器、 内存及内存控制器。 m c u 与d s p 间接口：m c u 和d s p 利用它来交换软硬件的信息。 微控制器外围设备：包括用户设备接口模块和射频( r f ) 控制接1 ：3 模块。 d s p 外围设备：g s m g p r s 编解码器的硬件加速器。 多媒体子系统：集成了多个更高级的加速器来支持多媒体应用。 声音通道：完成模拟语音至数字语音的转换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 音频通道：完成转换立体声音频源。 时钟发生器：按照时分多址( t d m a ) 的时钟格式产生控制信号。 功率、重置和时钟子系统：在m t 6 2 2 5 内部分配管理功率、重置和时钟。 其中输入输出( i o ) 接口包括模拟接1 3 、数字接1 3 以及人机接1 3 - - - 个子块1 2 l 】： a 、模拟接口包括： 语音输入输出接口：用于麦克风、扬声器、蜂鸣器、免提等。 射频控制接口：产生用于射频控制的模拟量如a g c 、a f c 、a p c 等。 辅助接口：电池电量、电池温度等模拟量的采集。 b 、数字接口包括： 系统接1 3 ：完成数据通信( 传真、图像、数据等) 、数字音频测试( d a it e s t ) 、程 序的下载等功能。 s i m 卡接口：用来驱动外部的s i m 卡。经过特定的电平变换后，此接口可驱动 1 8 v 3 v 卡、5 v 卡、3 v 5 v 兼容卡。 t 卡( t r a i l s f l a s h ) 接口：用来存放用户用手机拍的照片、下载的m p 3 m p 4 ，也 可作为u 盘来存放用户需要的数据。 测试接口：利用芯片的边界扫描寄存器来达到测试的目的( 通常用于数字信号的测 试) 。此测试可确定芯片是否完成所要求的功能、各个功能模块是否正常以及整机 是否正常工作。 c 、人机接口包括： 显示器接口：用来连接串口并口液晶显示器( l c d ) 的驱动器。 键盘背光接口：用来连接键盘和背光灯。 摄像头接口：用来连接r g b y u v 类型的摄像头的驱动器。 2 2 2 射频芯片m t 6 1 3 9 射频芯片m t 6 1 3 9 是为g s m 和g p r s 多频带全球系统而设计的射频收发i c ，具 有很高集成度。下面分别从m t 6 1 3 9 的接收电路、发射电路、频率合成电路三个部分 进行描述【2 2 1 。 ( 1 ) 接收电路 接收电路由天线开关、射频接收滤波器、射频低噪声放大器、混频器、中频滤波 器、中频放大器等组成。接收电路的输入频率在g s m 的9 0 0 m h z 频段上，经过下变 频到1 0 0 m h z 附近的某个固定中频上，然后由i q 接收解调电路解调出1 0 0 k h z 以内 的模拟同相正交信号送逻辑陪频电路进行后级处理。 ( 2 ) 发射电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 发射电路主要由发射带通滤波电路、g s m 发射调制器、射频功率放大器、发射功 率控制器、天线开关等组成。 ( 3 ) 频率合成电路 频率合成电路提供接收、发射电路的本机振荡频率，它相当于无绳电话机的可编 程锁相环电路，可以通过为处理器电路完成频率的自动改变，在g s m 手机中，一般 采用1 3 m h z 主时钟信号作为频率合成电路的基准频率。 2 2 3 电源管理芯片m t 6 3 0 5 电源管理芯片m t 6 3 0 5 是手机的电源管理芯片，其同时支持锂电池和镍锌电池。 m t 6 3 0 5 包含7 个l d o ( l o wd r o po u t ) ，每一个l d o 用于管理g s m 子模块的电源。 在待机状态仪仅有1 0 8 u a 的低电流，在工作状态也只有1 8 7 u a ，m t 6 3 0 5 的优化设计 使电池具有最长的生命期。m t 6 3 0 5 有3 个开漏输出转换，分别为l e d 、a l e r t e r 和 v i b r a t o r 。s i m 接口为s i m 卡和微处理器提供了水平转换1 2 3 1 。 2 2 4 手机外设 手机外设包括键盘、l c d 、c a m e r a 模组、蓝牙、存储芯片、电池、f m 等等。这里 主要介绍跟超长待机相关的手机外设。 ( 1 ) l c d 整个l c d 模块中主要耗电部分是l e d 背光和l c d 驱动。l e d 背光花费了9 0 的电力。背光省电的技术目前可以分为l a b c 和c a b c 两类。l a b c 的l 指的就是 l i g h ts e n s o r 。当外在环境变暗时，调整降低背光亮度，达到省电目标，这就是l a b c 的基本概念。c a b c 的c 指的是c o n t e n t ，也就是内容分析。它的概念是在l c d 驱动 内新增一个内容分析器，假设当把图片资料传输进来时，先将其亮度提高2 4 ，然后 将背光降低2 4 。由于事先已经将图片经过分析器处理亮度，因此可以得到和原本图 片相差无几的显示效果，却减少了2 4 的背光功耗。这就是c a b c 的技术。l a b c 和c a b c 的差异在于：l a b c 希望跟随环境光的改变，调整背光效果；c a b c 则是透 过内容分析器，随时提供省电功能【2 4 1 。 ( 2 ) 键盘 键盘分为键盘灯背光和键盘驱动【2 5 1 。键盘灯背光是键盘耗电的主要原因，按键盘 激活背景光的时候的耗电和手机发射时耗电几乎相当，所以常按键盘( 比如编辑短 信) ，即使不打电话，手机耗电量也很大。 ( 3 ) 电池 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 现在手机一般都用锂离子电池，根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电 池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类。聚合物锂离子电池，其电池 内部采用固态电解质材质，相比传统锂离子电池液态电解质材质更具安全性，同时通 过电池降阻技术将电池内阻降至最小，大大提高了电池的工作效率，使电池容量会比 普通锂电池高出1 5 倍【2 6 1 。 锂离子基本参数之“电压”： 电池标称电压：3 7 v 3 6 v 。 充电截止电压：4 2 v 4 1 v 。 手机关机电压：3 5 v ( 一般而言) 电池放电下限：2 7 5 v 2 7 v 锂离子基本参数之“电池容量”： 根据锂离子国家标准g b t 1 8 2 8 72 0 0 0 ：以1 c 倍率充电达到4 2 v ( 或4 1 v ，c 是 标称容量，安时或毫安时) 、以0 2 c 的倍率放电至2 7 5 v ( 2 7 v ) ，电流与时间之积为容 量。 ( 4 ) 音频功放 按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放( 又称a 类) 、乙类功放( 又 称b 类) 、甲乙类功放( 又称a b 类) 和丁类功放( 又称d 类) 。d 类功率放大器的 量转换效率极高，体积小，可靠性高。耗电量仅为同功率等级模拟放大器的百分 专一1 2 7 1，oo ( 5 ) 存储芯片 存储器分为程序存储器和数据存储裂2 引。程序存储器存放手机运行程序，通常由 两个部分组成：一个是目前多采用的闪速存储器芯片( f l a s h 芯片) ，另一个是 e e p r o m 芯片。f l a s h 主要用来存储手机工作程序，如基本程序、功能程序、监控 程序、多国语言字库等。f l a s h 的特点是不能随便通过按键改写的，只能通过专用的 编程仪器才能重新写入。现在市场上两种主要的非易失闪存芯片是n o r 和n a n d 芯 片。n o r 的特点是芯片内执行( x i p , e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在n o r 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中，使用n o r 实现代码的存储。与n o r 相比较，n a n d 的特点是芯片内不能执行程序，但是可以提供高存储密度，用于高密 度数据的存储。 e e p r o m 主要作用是存放手机重要的可更改的数据、包括键盘分配表、功率控制 表、国际移动设备识别码( i m e i ) 、保密码、解锁码、用户电话本、电池检测数据、 显示电压检测程序、数模转换表和随机资料等，一般采用电可擦除存储器件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 5 系统硬件工作原理 手机硬件的三个部分：逻辑系统、射频系统、电源系统，在逻辑控制系统统一指 挥下，相互配合，完成手机的各项功能。硬件模块基带芯片m t 6 2 2 5 主要用于实现 g s m g p r s 的链路层和网络层协议控制r f 模组和b s s 通信，同时运行其它软件实现 手机的附加功能，例如：显示、拍照、播放m p 3 等；r f 模块主要完成g s m g p r s 协 议栈的物理层功能、实现突发脉冲的发射接收、射频调制解调功能；电源管理芯片 m t 6 3 0 5 主要负责电源管理和给系统提供各种稳定电压；人机接口设备：键盘、液晶 l c d 用于输入、输出显示；c a m e r a 模组提供照相和动画录像等多媒体功能；n o r n 础 芯片用于存储整个手机软件和用户数据；n a n d f l a s h 用做u s b 存储器1 2 引。 2 3 软件平台结构 手机软件包括运行软件和调试软件。运行软件主要由：g s m g p r s 协议栈、n u c l e u s 操作系统、设备驱动、m m i 和w a p 模块组成；调试软件主要有：c a t e h e r 和m e t a ， 它们的作用在于监视软件的实时运行情况，协助开发者加速开发进度。整个软件的结 构框图如图2 4 所示【3 0 1 。 图2 - 4 手机软什结构框图 手机运行软件，包括下面几个模块： n u c l e u s o s ：n u e l e u s 实时嵌入式操作系统。 l i 协议栈：g s m g p r s 物理层协议栈。 d r i v e r s ：整个系统外围设备的驱动程序，如s i m ，l c d ，u r a t ，g p i o 等。 l 2 l 3 协议栈：g s m 协议栈链路层网络层。 m m i ：人机界面，主要负责人机间的交互。 w a p ：无线应用协议。 j 怂，a ：j 2 m e 软件。 以下对手机的运行软件做简要的说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 3 1n u c l e u s 操作系统 由于手机系统面对的任务较复杂，且对实时性要求很高，所以必须有一个操作系 统来对各种复杂的任务根据一定的准则进行调度，合理的安排c p u 的时间，使系统能 够安全协调的运行。n u c l e u s 是一个实时的、抢占的、多任务的嵌入式操作系统内核。 本设计中采用n u c l e u s 操作系统，其目的在于降低软件开发的难度，把整个软件划分 为若干t a s k ，通过o s 进行调度管理。o s 的作用则主要表现在任务调度和向上层软件 提供系统服务，例如消息传递、信号量、时钟管理、中断管理【3 。此外，本设计还在 n u c l e u s 操作系统之上抽象了一个操作系统适配层( k a lo s ) ，k a lo s 层为m e d i at e k 的软件和n u c l e u s 操作系统的接口。它为任务提供许多系统服务函数，比如计时器， 队列，内存管理，事件等等【3 2 】。 2 3 2l i 协议栈 物理层或l a y e r l 遵从0 5 系列技术规范，支持在无线媒质上传输比特流，它向上 层提供服务、控制物理信道和逻辑信道之间的映射，并且控制时序的安排，同时执行 t d m a 的取帧和无线控制。结构如图2 5 所示1 3 3 1 。 2 3 3 驱动 图2 - 5l a y e r l 层模块关系图 设备驱动支持所有的m c u 外围设备的控制功能。这个模块处理许多用户可观察 的手机行为，例如键盘处理和l c d 显示。它和l 4 实体交互通过访问设备寄存器来提 供必要的控制功能。目前，手机系统所包括的外围设备如图2 - 6 所示【3 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 4l 2 l 3 l 4 协议层 图2 - 6m c u 外隔设备图 这部分包含大量的g s m g p r s 需求以及提供一个优秀的g s m g p r s 平台的应用 程序。本地m m i 和远程p c 通过a t 命令可以方便的使用该软件平台，详细的结构如 图2 7 所示【3 5 1 。其中l 2 是数据链路层；l 3 是网络层；l 4 是底层驱动和协议栈的封装 层也是和m m i 通信的接口层，m m i 通过l 4 和底层、协议栈进行信息交互，完成上 层应用的各个功能。 主要组成部分描述如下： m m i ：包括两部分，远程m m i ( r m l ) ，如p c 端，通过u a r t 端口，利用a t 命令 与协议栈通信；人机界面( m m d ，呈现给用户的，可操作的界面。 l 4 层：l 4 是一个t a s k ，通过它f m i 和( 远程m m i ) r m i 与协议栈进行通信， 一般以l 4 为分界，将l 4 以下称之为下层，之上的称为上层或者应用层。 n v r a m ：非易失性随机存储器。 s i m ：用户识别模块。 d a t a ：电路交换数据服务。 c c ：电路交换控制。 s s - 增值服务。 s m s ：短消息服务。 m m g m m ：移动管理g p r s 移动管理。 l l c ：逻辑链路控制层。 r r ：无线资源管理。 p p p ：点对点协议层。 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 图2 - 7 协议栈体系结构 2 3 5m m i 模块 人机交互软件m m i ( m n a m a c h i n e i m e r a f c e ) 是整个系统软件体系结构的最上层，主 要实现人机交互的功能，即解释用户的各种命令并发消息到相应的处理模块等待系统 控制及处理，同时将系统接收到的各种消息或系统所处的状态以友好的方式反馈给用 户。m m i 可以看作是手机系统功能级的调度管理中心，对手机的各个模块和部件的调 度管理是通过发送相应的消息来实现的。m m i 模块主要由a p p l i c a t i o n ( 应用层软件) 、 g u i ( 图形用户接口) 和f r a m e w o r k ( 框架) 三部分组成，如图2 8 所利j o j ： 图2 - 8 m m i 模块组成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 m m i 层的应用软件是与用户最近的，它主要包括：消息( 短消息、彩信等) ，电 话本，手机设置( 网络设置，电话设置，安全设置等) ，历史记录，情景模式等；f r a m e w o r k 层是对消息收发的管理和事件的处理；u i 层管理与用户界面相关的所有功能。可以这 样理解：如果涉及到功能性的实现则通过f r a m e w o r k 进行调度和管理，而涉及到用户 界面的显示需要通过u 层来实现。l c d 驱动来显示人机界面。 2 4 消息处理机制 n u c l e u s 是一个多任务操作系统，手机中之所以没有哪一个程序能够独占系统的 资源，是由于资源都是由n u c l e u s 统一分配管理的。n u c l e u s 时刻都在监视着用户的每 个举动，并分析用户的动作与哪一个程序相关，然后将该动作以消息的形式发送给相 关的应用程序。同时，应用程序也在时刻地等着消息的到来，其一旦发现消息队列中 有未处理的信息，就立即获取并分析该消息，并根据消息所包含的内容采取相应的动 作来响应【3 8 1 。比如，当用户按下手机上的某个按键时，首先这个动作将被n u c l e u s 所 捕获，经分析n u c l e u