（电路与系统专业论文）基于FS1610嵌入式GPS手持终端的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 摘要 近年来，功能单一的g p s 设备已经发展得非常成熟，多功能的g p s 设备逐渐 成为市场的热点。为适应专业用户市场及消费类电子产品市场的新需要，本课题研 制开发出一种基于a r m 9 架构$ 3 c 2 4 4 0 微处理器和嵌入式w i n c e 操作系统的g p s 多功能手持终端。本文详细论述了该系统的设计与实现，对其中的关键技术进行了 深入的探讨与研究。 在设计方案上，该g p s 多功能手持终端采用f s l 6 1 0 整合智能集成电源管理方 案设计，摆脱了传统意义上的嵌入式设备电源设计方案采用分立式电源芯片设计的 不足，新的电源管理模块具有高集成度、高可靠性、智能化、低功耗、低成本、体 积小等诸多优势。同时兼具5 7 寸的t f tl c d 作输出设备，电阻式触摸屏作输入 设备，方便了用户的使用。采用超大容量的锂离子聚合物电池，能够长时间保持系 统在线运行。 本文的主要研究工作是在经过大量调研的基础上，设计了基于$ 3 c 2 4 4 0 处理器 的手持终端电源管理系统方案，在此方案基础上逐步完善4 s 一体化相关硬件模块 的设计。并且针对系统c p u 的低功耗实现技术、g p r s 模块的p p p 技术和$ 3 c 2 4 4 0 多串1 3 驱动技术的实现进行了探讨。论文首先叙述了手持终端系统的功能需求，阐 述了详细的硬件架构设计，然后深入讨论了手持终端的嵌入式系统底层软件的移 植，嵌入式w i n c e 系统的移植以及设备驱动程序的设计，并给出了g p s 多功能手 持终端的应用软件设计。在此基础上，自主实现了该手持终端系统。实际运行测试 表明该系统达到了4 s 一体化多网融合与系统高性能、低功耗的统一，在专业领域 内达到先进水平。 关键词：手持终端；软硬件设计；电源管理；嵌入式系统；4 s 一体化 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s i n g l e f u n c t i o ng p se q u i p m e n th a sa l r e a d yb e e nd e v e l o p e dm a t u r e l y ， m u l t i f u n c t i o ng p se q u i p m e n tg r a d u a l l yb e c o m e st h em a r k e tn e w l yt of a v o r a c c o r d i n g t ot h em a r k e ti n v e s t i g a t i o n ，t h es t r u c t u r eo fg p sm u l t i f u n c t i o nh a n d h e l dt e r m i n a l w h i c hi sb a s e do na r m 9m c ua n de m b e d d e dw i n c ei sd e v e l o p e d t h ec o n t e c to ft h i s p a p e rw a sr o o ti nt h er e a lr e a s e r c ho f t h i sp r o j e c t b a s eo nd e s i g nm e t h o d ，t h eg p sm u l t i f u n c t i o nh a n d h e l dt e r m i n a lu s e di n t e l l i g e n t p o w e rm a n a g e m e n tc h i pf s 1610w h i c hb r o k e na w a yf r o md i s a d v a n t a g eo ft r a n d i t i o n a l p o w e rm a n a g e m e n tm e t h o d i tp o s s e s sh i g hi n t e g r a t i o n ，h i 曲i n t e l l i g e n t ，h i 曲c r e d i b i l i t y a n dl o wp o w e rc o n s u m e ，l o wp r i c e i ta l s oh a s5 7t f tl c d ，a n dn e wt o u c hs c r e e nw h i c h t a k em u c hc o n v e n i e n c et op e o p l e a n dt h eh i 曲c a p a b i l i t yb a t t e r yc o u l dk e e pt h el o n g e s t s y s t e m w o r k i n gt i m e b a s eo ns y s t e mf u n c t i o n ，t h et e r m i n a ld e s i g np l a ni nt h i sp a p e ri n t e g r a t e st h eg p s t e c h n o l o g yu s e di nv e h i c l e ，f i e l ds u r v e y i n ga n dp d a a tt h es a m et i m e ，t h ef u n c t i o no f c o m m o ni n f o r m a t i o nn e t w o r k , h a n d h e l dt e r m i n a l ，e l e c t r o n i cm a pa n dm o n i t o r i n gc e n t r e t or e a l i z er s ，g i s ，g p sa n dg p r si n t e g r a t i v e p r o d u c ta n d 4 si n t e g r a t i v em u l t i - f u n c t i o n f i r s t ，t h ep a p e rg i v es y s t e m - r e q u i r e m e n ta n dg i v e t h ed e t a i lo fh a r d w a r e d e s i g n s e c o n d ，t h ep a p e rg i v et h ep o r t i no fl o w - s y s t e ms o f t w a r ea n dd e s i g no fd e v i c e d r i v e r s a l s ot h ea p p l i c a t i o n s a tl a s t ，g i v et h et e s tt o o t h e do ft h es y s t e m ，a n dg i v es o m e a d v i c et ot h es y s t e ms h o r t a g e k e yw o r d s ：h a n d h e l dt e r m i n a l ；s o f t - w a r e h a r d w a r ed e s i g n ；p o w e r m a n a g e m e n t ； e m b e d d e ds y s t e m ；4 s 硕士学位论文 m a s t e r ? st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，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 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 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，即：学校有权 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。本人授权华中师范大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库一中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回意诠塞握奎后进卮! 旦堂生；旦二生；旦三生发查! 作者签名： 日期： 年月 日 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 嵌入式终端设备概述 第1 章绪论 在i t 行业，如果把2 0 0 0 年作为科技史的一个分水岭的话，那么2 0 0 0 年之前 可以被称之为“p c ”时代，而2 0 0 0 年之后则要被称为“后p c 时代，这是因为在 后p c 时代，多种多样的嵌入式产品已经开始逐步取代p c 机，称为人民处理信息 的工具。小刀风头正劲的m p 3 、手机、数码相机等常用的消费类电子产品，大到网 络家电、智能家电、车载电子设备，这些都在不知不觉中形成了一个充满商机的巨 大产业。并且正在成为i t 行业的支柱。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且以软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等 四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能l l 】。 消费类电子产品是推动嵌入式技术发展的动力。一方面，激烈的市场竞争使得 从微型收音机、磁带w a l k m a n 、便携式c d 、到今天的m p 3 、m p 4 、智能手机，嵌 入式产品的种类越来越多；另一方面，消费者的要求也在不断增长，不但要求嵌入 式产品朝着轻薄，小巧的方向发展，还希望它具有尽可能多的功能。这样一来，便 携式产品一直在增加新的功能，而且多功能融合的趋势也越来越明显【l j 。 1 2 手持终端应用的关键技术 手持终端是嵌入式终端设备的一种，本系统设计的手持终端融合了领先的4 s 一体化技术。4 s 一体化技术是一种从底层结构上将卫星与地面遥感( r s ) 、卫星定位 ( g p s ) 、无线通信匿j ( g p r s ) 和地理信息系统( g i s ) 融为一体的全新技术。这种独有的 4 s 一体化底层结构使产品具有空前丰富的用户功能、空前广阔的功能扩展空间、超 大的系统容量、超高的性价比、超低的生产成本和使用成本。产品具有确切的市场 需求和用户群体、切实可行的商业推广途径、高附加值和空前广阔的市场。其中 g p s 和g p l 峪技术是4 s 应用系统中的关键技术。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 研究课题的相关背景和主要工作 本文针对于武汉盛世通公司终端产品的需求进行设计，主要讨论了一种基于电 源管理模块f s l 6 1 0 的嵌入式g p s 手持终端系统的设计与实现方法，文章阐述了 g p s 多功能手持终端的软硬件设计流程，其中手持终端硬件设计和驱动设计将是 本文讨论的重点。g p s 手持终端的主要功能是包括： ( 1 ) g p s 地图导航 ( 2 ) g i s 地理信息系统 ( 3 ) g p r s 无线数据传输 ( 4 ) r s 图像传输 上述功能的实现还需要个监控中心系统和手持终端配合完成。手持终端完成 数据的获取，经过处理后将数据通过g p r s 发往监控中心，监控中心则可以实现多 手持终端的监控和调度，将指令发往手持终端以完成相应功能。 本文所述的g p s 多功能手持终端以a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 微处理器和嵌入式w i n c e 作为系统的硬软件平台，监控中心的设计主要是在其硬件平台网成功搭建基础上， 对监控中心软件进行配置，在此基础上完成基于g p s 多功能手持终端的移动目标监 测信息系统功能实现。 监控中心是基于p c 设计，因为篇幅关系，本文只讨论手持终端的设计和实现。 1 4 论文的组织结构 本文主要对基于f s l 6 1 0 电源管理模块的手持终端设备的设计和实现进行了分 析和研究，并对实际的手持系统进行了相关测试。 第1 章介绍了g p s 的应用和发展前景，叙述了各种定位设备的国内外发展现 状，并给出了g p s 手持终端的开发方案。 第2 章介绍了本g p s 手持终端系统的功能与系统结构，并根提出合适的元器件 选型，还介绍了手持终端软件系统的功能与结构。 第3 章具体阐述了基于$ 3 c 2 4 4 0 处理器和f s l 6 1 0 电源管理模块的g p s 手持终 端硬件系统的设计和实现。 第4 章介绍了手持终端底层系统软件的移植以及w i n c e 操作系统的移植，完 成了b s p 的设计和w i n c e 操作系统下的驱动程序设计，其中以f s l 6 1 0 和o v 9 6 5 0 等重点模块驱动为例进行介绍。并给出了应用软件的层面上实现系统需求分析中提 2 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 到的功能。 第5 章介绍了手持终端系统的运行与测试方案。 最后第6 章并给出了系统存在的不足和今后进一步改进的方案。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第2 章自主设计的手持终端系统功能与系统结构 2 1 手持终端的功能和设计目标 本系统的设计目标是建立基于4 s 一体化的g p s 智能手持终端，即具有g p s 卫 星定位、g p r s 无线传输、g i s 地理信息系统和r s 遥感技术4 项技术为一体的手持 设备。这些功能可以为诸如国土测绘、野外调绘等提供专业的数据和信息服务，还 可以为普通用户提供通用的具有丰富多彩功能的多媒体体验。 总体上来说就是本系统需要提供两类的功能：一类具有专业性方面的功能；另 一类是和专业无关的多媒体通用功能。 2 2 手持终端的硬件结构总体设计 根据手持终端的功能需求分析，手持终端在系统设计上必然是一个硬件上以嵌 入式c p u 为基础，集成多功能模块：软件上带有嵌入式操作系统，所有功能相关 的应用软件都以这个操作系统平台为基础的复杂系统。因此，如何设计硬件架构并 使嵌入式操作系统能够移植在这个硬件架构上并且稳定运行就是这个系统设计能 否成功的关键。而这其中硬件器件选型又是硬件架构设计的基础，器件选型的正确 与否关系到系统功能能否实现预期功能目标，器件选型的优劣更是关系到预期功能 实现后系统能否长时间稳定的运行。特别的，器件选型关系到整个系统的成本控制， 一款嵌入式电子产品，首先是一个消费品，必然有它的市场和生产成本以及利润空 间。如果不能有效的控制成本，那么以上的功能实现就会成为不显示的空谈。基于 以上的分析和考虑，结合上述具体的系统功能需求分析，本手持终端的硬件结构设 计分析如下图2 2 所示： 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图2 - 2 系统总体设计结构图 2 3 手持终端的硬件器件选型 ( 1 ) 系统供电源管理模块方案 系统供电方案的可供选择的有分立式开关电源的供电方案和整合式电源管理 方式的供电方案两种。整合式电源管理也称为p m u ，是现今电源设计发展的热点， 它具有方案小巧、易于操控等优点，并有着很高的晶体管密度。因此，系统考虑整 合式电源管理方式作为系统的供电方案。在众多的p m u 方案中，飞思通公司生产 的f s l 6 1 0 最能够符合上述优势，因此本系统设计选用此款方案用作供电方案。 ( 2 ) 系统核心模块方案 本系统采用三星公司生产的a r m 9 架构处理器$ 3 c 2 4 4 0 作为系统c p u 。外围 采用2 片3 2 m b 的现代内存颗粒用作内存单元，1 片6 4 m b 的n a n df l a s hk 9 f 系列 用作数据闪存，用来存放b o o t l o a d e r 、操作系统内核和应用程序等。 ( 3 ) 系统外设通信模块的选择 根据系统功能需求，手持终端有定位导航，通信的功能，所以选择合理的g p s 和g p r s 模块是很关键的。结合电源管理模块和c p u 模块，g p s 模块选用h o l u x 公司的m 8 9 ，可以根据用户需求关断模块。g p r s 模块选用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 c 模块作为g p r s 功能的功能元器件。这两种模块都具有高性能，低功耗的优点，能 够正常工作在比较恶劣的环境下，而且具有很高的性价比，非常适合用作手持终端 的设计。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 4 ) l c d 和触摸屏 人机接口显示模块分为l c d 显示和触摸屏部分。显示部分采用的是一款台湾 生产的中华映管5 7 寸t f tl c d 模块。背光电压是5 v ，逻辑电压是3 3 v 。由于l c d 是系统中比较耗电的部分，因而具有p w m 可调亮度功能，设计中应该具有不使用 时关闭背光的功能。 ( 5 ) 音频模块 选用p h i l i p s 生产的u d a l 3 4 1 进行音频编解码，同时应用t p a 2 0 0 5 作为功放 芯片驱动内置扬声器。u d a l 3 4 1 是+ 3 3 v 供电，t p a 2 0 0 5 的供电范围比较宽，为 3 5 v 6 0v ，因此可以采用外接电源供电或是由电池供电。 以下章节将按以上所述分模块讨论手持终端硬件的设计。 2 4 软件系统的体系结构与功能 应用系统主要由g p s 手持终端和监控中心端两大部分组成，整个应用系统的示 意图如下图2 1 所示。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s r s 图像信息 图2 - 1整个应用系统的示意图 r s 图像信息 在手持终端向监控中心上传数据的过程中，手持终端的主控模块首先将由g p s 模块和传感器分别获取的位置信息和其他各种数据进行处理，然后将其压缩打包后 传给手持终端的g p r s 通信模块，由该模块经由g p r s 天线传送到g p r s 无线 i n t e m e t ，无线i n t e m e t 会自动将数据上传至中国移动g p r s 平台，最后该平台和 监控中心通过有线i n t e m e t实现数据的传送。而监控中心向手持终端下发数据的 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 过程是上述过程的逆过程。 虽然上图中系统结构比较复杂，但在实际研究中，除去现成的网络和服务平台， 系统可以分为两大部分考虑：即监控中心和g p s 手持终端，它们的设计与实现各不 相同。整个系统实现了许多功能，包括： ( 1 ) 手持终端的通用功能 ( 2 ) 手持终端的离线导航和在线导航 ( 3 ) 手持终端实现地面遥感信息的实时采集、处理和传输 ( 4 ) 手持终端与g p s 测量型仪器的联用 ( 5 ) 手持终端与中心之间在全国范围内的实时上传与实时下传 ( 6 ) 中心对手持终端的监控与调度 ( 7 ) 中心对中心之间的数据共享 监控中心的设计不属于本文讨论的范围，故不再赘述。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第3 章手持终端的硬件设计和实现 上一章分析类手持终端的系统结构和硬件器件选型，那么如何根据所选器件来 设计系统电源方案，并实现手持终端各个硬件功能模块的设计呢? 本章将具体阐述 手持终端硬件系统的设计和实现。 3 1 电源管理方案设计 3 1 1 电源分析 系统电源的设计和功耗控制是系统设计之初就需要着重考虑的问题，为了在设 计电源的同时尽量减小系统不必要功耗开销，需要采用以下的设计方案： ( 1 ) 电路配电方案完善，可以满足各种功能模块供电电压和电流需求；为了 减小系统运行中不必要功耗开销的最有效实现方法就在于要使得各路电源可控，在 不必要时关断。 ( 2 ) 用软件和硬件相互配合实现低功耗管理方法。对于系统中暂不使用的部 分模块，应该关闭相关部分的电源供应、降低或是关闭时钟，使之进入低功耗待机 状态，需要使用时再将其唤醒。例如，液晶屏的背光亮度是很耗电的，不用时应该 关闭，且其亮度应该可以线性调节。 3 1 2 电源方案设计 根据第二章系统硬件器件选型，我们可以根据各个器件的数据手册列出手持终 端系统预期的供电需求，以便我们能够选择合理的电源供电方案设计手持终端的电 源模块。整个手持终端的电源需求如下表3 1 所示： 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表3 - 1 手持终端的电源需求 符号 电源需求项目电压电流 v d d - c 0 髓处理器核及锁相环 ! t 0 0 1 f z ：1 3 v3 5 0 m a v d da l i ，e 处理器唤醒逻辑单元1 3 v 、l o g 5 t x d ag f l 0 4 t x d bg p l 0 3鼎 千 饕舞芬 i 。 盘 r x d 8g p l 0 2 g p l 0 0g p l 0 1 蓊r ，刚半= i l | 哥 r fo nr s t e t g n dv 8 a t j 】2 r fg n dv c cr f 篱门 嵫 卜昔 r fg n dva n ti n 1 8 1 r fg n dr fg n d 1 72 i lr 百 h rbn uh ri n 1 63 r fgq or fg n d a n t m 8 9 图3 - 1 1g p s 模块电路设计 3 3 2g p r s 模块 如前所述，本手持终端采用s i m c o m 公司生产的s i m 3 0 0 c 做为g p r s 通信模 块。本小节详细介绍g p r s 模块的设计方案。 ( 1 ) g p r s 通信模块的设计框图 本系统设计中使用s i m 3 0 0 c 作为g p r s 模块的主器件。将g p r s 模块设计到 整个手持终端心系统中，使系统具有通信功能，就是要使g p r s 模块成为一个无线 的m o d e m 。前面已经介绍过，s i m 3 0 0 c 具有标准的全u a r t 接口，并且内置了 t c p i p 的通信协议栈。在传统的单片机系统设计中，只需要2 线的u a r t 接口即： r x d ，t x d 就可以使单片机m c u 和g p r s 模块以a t 命令集的形式通信，并且g p r s 模块内置的t c p i p 协议栈。 上述的设计方式比较简洁，以a t 命令集的方式设计通信软件会碰到不少问题， 包括各种流量控制，各种情况下的响应。特别的，本手持终端采用了a r m 9 + w i n c e 操作系统的结构设计，w i n c e 系统已经提供了完整的t c p i p 协议栈，这样，我们 可以直接启用操作系统内置的t c p i p 协议栈，而避免采用模块内置的协议栈。这 样后期的软件设计完全可以启用操作系统的t c p i p 协议栈编程接口，而不用a t 命 令集的方式。从软件功能上来讲更加的强大，从软件设计上来说更加的方便，从系 统弄个稳定性上来说系统的数据传输更加的流畅。 1 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 但是从硬件连接上来看，仅仅2 线u a r t 是不够的，必须用4 线u a r t ，即使 启用i 接收信号，t x d 发送信号，r t s 请求发送，c t s 清除发送这4 个信号引 脚来完成，这是一般单片机系统所不具备的，但正好是基于a r m 9 结构的$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式处理器具有的，g p r s 模块系统设计的框图3 1 2 如下。 图3 1 2g p r s 模块设计框图 ( 2 ) s i m 卡电路 系统g p r s 模块具有标准s i m 接口。用来使用运营商提供的移动网络。如下图 3 1 3 所示，s i m 卡座是一个6 脚的设计，2 脚c c v c c 为s i m 卡提供电源信号，4 脚s i mr s t 位s i m 卡复位信号，6 脚的s i mc l k 为s i m 卡提供时钟信号，5 脚 s i mi o 是s i m 卡和s i m 3 0 0 c 模块的通用i o 口。其余引脚为地g n d 。 需要注意的是，考虑到静电保护和e m c 原理，为了保证数据传输的质量，s i m 卡的p c b 设计布线需要一定的技巧。具体方案是在卡座支架下，p c b 电路板的顶 层敷一层铜膜，该铜膜与s i m 卡的g n d 引脚相连，且和系统p c b 的地dg n d 之 间通过磁珠分隔，使s i m 卡和系统地g n d 之间相互隔离，屏蔽了干扰信号对s i m 卡的影响。如下图3 1 3 描述了s i m 3 0 0 c 的s i m 卡电路。 1 9 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 图3 - 1 3s i m 卡电路设计 ( 4 ) s i m 3 0 0 c 模块u a r t 口电路 在本手持终端系统中，在g p r s 和$ 3 c 2 4 4 0 的通信完全遵循r s 2 3 2 协议来实 现，从而完成c p u 和g p r s 模块之间数据包的收发。s i m 3 0 0 c 模块通过r s 2 3 2 接 口和$ 3 c 2 4 4 0 的u a r t 0 口相连接。在2 线串e l ( 仅包含t x d ，r x d ) 的方式下， 即可与系统c p u 进行通信。可以通过串口调试软件以a t 指令集的方式对模块的波 特率进行设置，其接口配置为8 位数据位、1 位停止位、无校验位。 硬件连接上，如上所述，2 线串口不能使用p p p 协议进行拨号上网，需要使用 4 线串口。除了2 线的r x d 和t x d 收发信号和$ 3 c 2 4 4 0 的收发信号交叉相连外， 另外一些握手信号线如c t s 0 、r t s 0 也要和$ 3 c 2 4 4 0 串口相应信号线连接。c t s 0 是清除发送，低电平意味着处于睡眠。r t s 0 是请求发送，高电平意味着禁止数据 传输。r j 信号用于模块振铃信号，接到$ 3 c 2 4 4 0 的一个通用g p i o 上，软件上用来 响应g p r s 模块接收到的来电中断。g p r s 模块串口电路如下图3 1 4 所示。 ， 3 7 ：3 9 。41 ，43 ：45 ，47 ，49 图3 1 4s i m 3 0 0 c 串口电路设计 d c d d t r r x d t x o r t s c t s r i 啉忱m忱情只一吼纠一研的嘣略盼哪 v s s s s s s s s s k k k k k k 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 3 3 音频c o d e c 模块 手持终端作为款智能型多功能嵌入式设备，其集成了地图导航，野外调绘等 专业的功能外，当然少不了多媒体的功能。这就要求手持终端必须具备高素质的音 频解码模块，这个模块不光可以为地图导航等专业用户在导航过程中提供清晰的语 音信息提示，也可以为娱乐用户提供高品质的m p 3 m p 4 音视频播放功能。这样进 一步扩大了本手持终端的用户群。 手持终端采用了p h i l i p s 公司的u d a l 3 4 1 t s 音频c o d e c 芯片设计音频系统。 u d a l 3 4 1 t s 是一款单片带有数字信号处理器( d s p ) 的单芯片立体声a d d a 转换 芯片。其中集成的d s p 使得此款芯片是便携式产品的理想选择。 ( 1 ) 音频总线接口 i i s ( i n t e r - i c s o u n d b u s ) 又称1 2 s 即音频数据接口，它是s o n y 、p h i l i p s 等电子 巨头共同推出的串行数字音频总线协议。如图3 一1 6 接口电路所示，本系统把i i s 接 口与p h i l i p s 的u d a l 3 4 1 音频数字信号编译码器相连接，得到m i c r o p h o n e 音 频输入通道和s p e a k e r 音频输出通道。u d a l 3 4 1 可把立体声模拟信号转化为数字 信号，同样也能把数字信号转换成模拟信号；对于数字信号，该芯片提供了d s p ( 数 字音频处理】功能。在实际应用中，u d a l 3 4 1 数码产品。 s 3 c 2 4 4 0 的i i s 口与u d a l 3 4 1 t s 的b c k 、w s 、d a l m 、s y s c l k 相连。对于 u d a l 3 4 1 t s 的l 3 总线，它是该芯片工作于微控制器输入模式时使用的，它包括 l 3 d a t a 、l 3 m o d e 、l 3 c l o k e 共三根接线，它们分别表示为微处理器接口数据 线、微处理器接口模式线，微处理器接口时钟线。通过这个接口，微处理器能够对 u d a l 3 4 1 t s 中的数字音频处理参数和系统控制参数进行配置，如图3 1 6 所示。 $ 3 c 2 4 4 0 u d 1 3 4 1 1 1 s 2 1 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 图3 1 6 数字音频接口 最终的音频c o d e c 模块的电路原理图设计如下图3 1 7 。 瞬 疆鲐。 菠。 c i3 城疆 i 2 裙e t 簌 基醴女c x ；2 鼹搿 1 2 ：蹴 图3 。1 7 音频c o d e c 模块电路设计 同样的，外部需要有耳机接口需要配合音频c o d e c 模块来工作，下图3 1 8 是 耳机接口的电路原理图设计。 v o d _ a u o i 。i p h o n e p h 炉j 图3 1 8 耳机接口 如上图3 1 8 所示，此耳机插孔为标准3 5 m m 的通用耳机插孔，一共5 脚。2 脚和5 脚分别为音频c o d e c 的左右声道输出、3 脚接地、4 脚为h sd e c t 信号， 连接到s 3 c 2 4 4 0 的一个通用g p i o 上，用来检测耳机的插入状态。如果检测到耳机 插入，软件上就断开音频c o d e c 和功放的连接，外部扬声器s p e a k e r 就不发声。 如果耳机不插入，就是外部扬声器发声。这样实现了手持终端耳机和扬声器的相互 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 切换。 3 3 4 音频功放模块 手持终端的功放是系统不可或缺的一部分，功放模块分为2 部分：功放芯片以 及外围电路，s p e a k e r 扬声器。功放是将c o d e c 音频解码器d a 还原的模拟信 号进行放大并且输出到外部扬声器s p e a k e r 。本系统的功放采用t d a 2 0 0 5 d 1 功 放芯片设计，具有高保真度，低功耗的优点。功放模块的电路原理设计如下图3 1 9 所示。 g n da u o i o 图3 一1 9 音频功放电路设计 如上图所示，功放采用v i n 信号为电源输入。g n da u d i o 信号为模拟地， 需要和数字地d g n d 之间用磁珠进行隔离。s p k r 和s p k l 分别为音频c o d e c 左 右声道音频输入，v o 和v 0 啐为功放左右声道输出。l 5 和l 6 为大小是3 3 u h 的电 感。s p e a k e r 并接到l 5 和l 6 上。e n 引脚是t d a 2 0 0 5 d 1 功放芯片的使能端，高 电平有效。由于功放工作时在系统中的功耗较大，这里接2 0 0 5 d 1o n o f f 控制信 号到$ 3 c 2 4 4 0 的一个通用g p i o ，用来作为控制功放的开关。当手持终端待机或是 插入耳机时，关断功放芯片，扬声器不发声。这样能够有效的控制手持终端的 s p e a k e r 。 3 3 5 图像采集模块 手持终端需要采集图像才能实现视频监控的功能，在设计图像采集模块时存在 两种设计方案，即采用c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器设计。 c c d 图像传感器价格昂贵、功耗较大、$ 3 c 2 4 4 0 并没有专用的c c d 控制器， 所以必须使用额外的控制器芯片来设计。而c m o s 图像传感器避免了c c d 图像传 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 感器的劣势，因此选用c m o s 图像传感器不但能够实现系统预期功能，还可以缩小 系统体积降低系统成本。关键的是$ 3 c 2 4 4 0 处理器具备c m o s 图像传感器接口 ( c s i ) ，这样硬件设计上是非常简单的；而如果采用c c d 图像传感器设计，则硬 件上需要外扩专业的图像采集控制器芯片，软件上还需要为图像采集控制器芯片额 外编写驱动，大大增加了系统设计的复杂度。 利用$ 3 c 2 4 4 0 的c m o s 图像传感器接口( c s i ) 连接c m o s 图像传感器可以 方便的实现视频拍照录像等功能，经过拍照的图像数据也可以方便的用g p r s 模块 进行图像传输和分配给系统其它模块处理。本模块功能框图如下图3 2 0 所示。 图3 2 0 $ 3 c 2 4 4 0c s i 接口设计 ( 1 ) 图像采集硬件 $ 3 c 2 4 4 0 内部集成的c m o s 图像传感器接口c m o ss e n s o ri n t e r f a c e 支持现在 市面上流行的大多数c m o ss e n s o r 接口的c m o s 图像传感器模块。$ 3 c 2 4 4 0 处理 器对c s i 总线的控制在内部是通过a r m 内核的高性能总线( a h b ) 实现的。由于 传统方式下图像取景的视频数据量较大，以往的c p u 往往不能胜任，而$ 3 c 2 4 4 0 的a r m 内核中加入了增强型多媒体加速器e m v i a 单元，c s i 接口则通过内部总线 与e m m a 模块打交道，成功的解决了数据压缩传输较慢的问题，可以实时间编码 采集到的图像数据。 本设计采用的c m o s 图像传感器模块是o v 9 6 5 0 ，o v 9 6 5 0 是欧姆尼公司生产 的一款高集成度高分辨率s e n s o r 。同时，o v 9 6 5 0 是完全可编程的数字单片摄像器 件，其像素1 3 0 万，通过串行摄像头控制总线与$ 3 c 2 4 4 0 的1 2 c 总线接口相连，其 曝光时间、白平衡等各种专业参数均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置，设 置上通过1 2 c 总线驱动向o v 9 6 5 0 的控制寄存器中写入命令字【l6 。如图3 2 l 所示， $ 3 c 2 4 4 0 和o v 9 6 5 0 的设计比较简单，1 2 c 接口用于控制字发送，c s i 接口用于数 据传输，其中c m o s 时序信号线用来控制图像传感器的同步异步操作，c m o s 数 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 据信号线用来传输图像数据。 c 1 1 0 s 肘序 信号 c s i c f o s 0 v 9 6 5 0 数据 b e n s o t 信号 1 2 c $ 5 c 2 4 4 0 图3 2 1s 3 c 2 4 4 0 和o v 9 6 5 0s e n s o r 的接口设计 3 4 人机接口关键技术 人机交互用接口是用户和手持终端沟通和交互的部件。在嵌入式系统中，人机 接口设备一般包括触摸屏，l c d ，按键等等。l c d 具有其他显示设备无法比拟的优 势，成为了嵌入式系统硬件设计上的绝对主流。触摸屏的的种类繁多，功能也多样 化，并且存在独立和集成在l c d 上的两种形式。键盘的设计也是丰富多样的，完 全根据系统需求而定。 3 4 1l c d 显示模块 l c d 模块是系统中最重要的设备。l c d 不仅在系统外观上是最亮眼的部分， 而且也是系统中最大的输出设备。同时，l c d 承担着和触摸屏相互配合，完成和使 用者交互的功能。 在本系统中，功能需求要求具有地图定位导航、野外调绘等、图像传输监控等 专业的功能，还需要具有录影拍照、多媒体播放等娱乐的功能。这对l c d 现实模 块有很高的要求。屏幕尺寸如果太小，可能会影响客户的使用，屏幕太大，又不利 于手持。另外，在屏幕的材质上，目前主要分为t f t 材质和o l e d 材质。1 1 可是 最为常用的屏幕材质，具有真彩色、高分辨率等优点，成本也较低，但是存在可视 角度的问题，而且t f t 材质屏幕不能自发光，需要外部提供背光电路给吓t 背光 供电。而o l e d 屏幕则避免了上述问题，它是自发光设计，不需要背光驱动，有很 大的可视角度，屏幕也可以很轻薄。但是由于o l e d 屏幕成品率太低导致成本过高， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 故本设计不予选用。本设计采用的c l a a 0 5 7 v a 0 1 是一款5 8 寸t f tl c d 液晶屏 模块。它具有高清晰度，大屏幕，低功耗的特点。此外，用户可以通过软件或硬件 调节a d j 引脚信号来调整屏幕的亮度。 如下图所示，l d 1 7 ：0 是l c d 控制器的数据总线，连接到r g b 6 6 6 单元上，除 此之外，$ 3 c 2 4 4 0 内部还具有逻辑控制信号线分别是： v s y n c ：垂直帧同步； h s y n c ：水平帧同步； p c l k ：像素时钟。 有了$ 3 c 2 4 4 0 的l c d 控制器驱动l c dt f t 屏幕，在硬件设计上就非常简单了， 只需将$ 3 c 2 4 4 0 端和l c d 端相应信号引脚相连即可。特别的，下图所示5 v 即为 背光供电，它不是由f s l 6 1 0 提供，而是通过l m 3 2 2 4d c d c 芯片将f s l 6 1 0 提供 的3 3 v 电压升压得到背光供电电路。具体原理框图如下图3 2 2 所示。 3 4 2 触摸屏电路 图3 2 2l c d 显示模块电路框图 触摸屏是一个压力传感器，它主要包括控制器和检测器。检测器一般安装在屏 幕前面，通过转换将a d 转化后的信息发送给c p u ，并执行c p u 的指令。 根据传感器的类型，触摸屏大致被分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容 式触摸屏四种。目前市面上的手持设备常用的是电阻式和电容式触摸屏。如h t c 厂商的智能手机、基于m t k 芯片的所谓山寨机，都是采用的电阻式触摸屏设计； 而著名的i p h o n e 则采用了电容式触摸屏设计，实现了多点式触控技术。使得用户 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 和设备之间的距离感减小。虽然电容式触摸屏有诸多的优点，但是设计相当复杂， 成本高，相应的软件开发难度大，所以不在本设计的考虑范围内。而相比其它几种 触摸屏，电阻式触摸屏因为其稳定性高、厚度较薄、价格低廉等优点被广泛应用于 手持设备中。而且，本系统使用的l c d 液晶屏为c l a a 0 5 7 v a 0 1 ，其中已经集成了 4 线电阻式触摸屏而无需自己另外添加，更适合选用。 在本手持终端系统中，$ 3 c 2 4 4 0c p u 集成了通用的触摸屏控制器，使得设计上 也不需要外加专用的触摸屏控制器芯片和电路，简化了触摸屏的设计。如下节介绍 的$ 3 c 2 4 4 0 内部集成的触摸屏控制器电路。 ( 1 ) $ 3 c 2 4 4 0 的a d 转换及触摸屏控制电路的硬件结构 图3 2 3 为$ 3 c 2 4 4 0 处理器内部的触摸屏控制电路和a d 转换电路。图中所 示，c p u 提供的a d 模拟输入共8 路，分别是x p 、x m 、y p 、y m 。只列出其中4 路是因为其中有4 路是与触摸屏复用的。通过在驱动程序中修改相关寄存器的值， 可以使得这些引脚的功能在a d 和触摸屏之间相互切换。 图3 2 3 $ 3 c 2 4 4 0 的a d 转换及触摸屏控制电路 ( 2 ) 触摸屏硬件实际电路 由于$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式处理器中已经集成了a d c ( 触摸屏控制器) ，所以在设计中 不需要外加触摸屏控制器芯片，直接使用$ 3 c 2 4 4 0 内置的控制器即可，设计非常方 便。在触摸屏上只需要x m , x p , y m ，y p4 线控制就足够了，外部由f s l 6 1 0 提供的 3 3 v 的电源给触摸屏模块供电。电路原理图如图3 2 4 。 一 炉 肼 w 删 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 5 手持终端p c b 设计 图3 2 4触摸屏电路模块 系统p c b 板的设计是系统设计中的最后一个环节，能否设计合理可靠的p c b 板，关系到系统设计的成败。如果设计方法不当，p c b 可能会辐射过多的电磁干扰， 造成系统工作不稳定。系统设计中自始至终要考虑一下因素： ( 1 ) 系统p c b 层的设定 在p c b 的e m c ( 电磁兼容性) 设计中，首先设计的便是层的设置。单板的层 数由电源、地的层数和信号层数组成。电源层、地层、信号层的相对位置以及电源、 地平面的分割对单板e m c 指标至关重要 2 3 1 。 根据p c b 设计的原