【优秀毕业论文】android4.0系统的网络机顶盒硬件设计.pdf

android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 摘 要 伴随着互联网的应用业务需求量的极速提高 宽带网络的建设与拓展也蓬勃 发展 网络视频的优势也随着网络带宽的增加而越来越明显 网络机顶盒以互联 网为传播通道传送音视频流与数据流 作为一种新的媒体体现方式 用户可以在 电视上直接点播节目和收看直播内容 它具有清晰度高 用户体验好和资源丰富 等优势 将取代传统机顶盒 成为家庭视听多媒体中心 开放式互联网机顶盒将是网络机顶盒的发展方向 它将互联网的交互性 泛 在性和电视机的高清性 享受性融为一体 开放式互联网机顶盒可以通过家庭网 关访问iptv专用网络及公共互联网络 可通过电视机 音响等播放设备向终端用 户提供页面信息浏览 iptv播放 互联网视音频播放 应用商城 可视通信 家 庭媒体共享 游戏等交互式业务服务 这就需要网络机顶盒的操作系统具有智能 化 开源化 通用化以及强大的第三方软件支持 但是目前的网络机顶盒主流操 作系统是嵌入式linux系统 从本质上来讲它还是一种基础的非智能操作系统 应用软件受限于开发商 且兼容性并不佳 互联网巨头谷歌公司在2011年10月19 日推出了android4 0系统使智能网络机顶盒的实现成为了可能 众所周知 android是google开发的基于linux内核的软件平台和操作系统 而最新版的 android 4 0同时支持智能手机 平板电脑 电视等设备 至此android系统设备 将拥有真正开放和最为完整统一的先进特性 但是android4 0系统的网络机顶盒 也不能随用户自己的喜好观看网络音视频 因此其开放性为第三方应用软件设立 了应用市场 从而用户可以方便地从网络获取所需的应用软件 并通过网络与其 他媒介进行互动 例如网页浏览 视频影片播放 在线聊天 游戏娱乐 在线电 影电视等 本论文完成的任务是针对 android 系统在网络机顶盒中的应用需求 以网络 机顶盒的硬件系统为研究对象 设计出了一款高性能 低成本 低功耗的 android4 0 网络机顶盒 它支持有线 lan 网和 usb 扩展的 wifi 无线网络传输 接收和处理网络获取的音视频流和数据流 通过网络机顶盒的主处理器对其进行 硬解码 并通过丰富的外部接口输出显示 论文中分析了网络机顶盒的硬件原理和 android4 0 系统的硬件需求 制定 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 了该网络机顶盒的硬件系统总体结构图 根据需求分析采用以 hi3716mv300 为主 处理器 512mb ddr 和 2gb flash 的最小系统解决方案 然后详细设计了网络机 顶盒硬件系统的功能模块 针对各个功能模块进行了原理说明 并给出了部分的 电路原理图 之后通过 cadence 的 pcb editor 设计出了系统的 pcb 图 由于本 机顶盒采用了 android4 0 操作系统 所以在研究了 android 系统上实现网络机 顶盒相关业务功能的同时 在原有 android 操作系统架构不变的情况下 设计并 实现系统软件各层所需的扩展功能及相应接口 最后对设计完成的网络机顶盒进 行了电性能测试 给出了测试方法和测试结果 并针对测试中出现的不合格项进 行了分析与整改 最终达到了机顶盒测试标准规范中的各项性能指标 关键词 关键词 androidandroid stbstb 网络机顶盒 网络机顶盒 智能操作系统智能操作系统 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 network set top box hardware design of android4 0 system abstract with the application of internet s business demand speedly increasing construction and expansion of broadband network is quickly booming the advantage of network video is more and more obvious with the increase of network bandwidth network set top box transmite the audio and video stream and data stream by internet as a new media forms the user can directly request program on tv and broadcast content by it network set top box has high definition good user experience and rich resources and so on which will replace the traditional set top box and become a family of audio visual center open network set top box will be the development direction of network set top box which inosculate interactive and universal of internet high defitinition and enjoyment of tv as a whole open network set top box can access the iptv private network and the public internet through the home gateway and use television and audio to provide page information browsing iptv player internet video and audio the app store visual communication family media sharing games and other interactive services for the end user which requires the operating system of network set top box with intelligent open universal and powerful third party software support but the current main operating system of the network set top box is embedded linux system in essence it is a underlying non intelligent operating system so application software is limited to the developers of linux and the compatibility is not good internet giant google corporation launching android4 0 system on october 19 2011 makes the implementation of intelligent network set top box to become truth as everyone knows android is a software platform and operating system by google development based on linux kernel and the latest version of the android 4 also support the intelligent mobile phone tablet computer tv and other equipment so android system equipment will have a truly open and the most completely and unifily advanced feature but the network set top box android4 0 system cannot comply with user preferences for watching internet video and audio so its opening sets up android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 application market for third party application sotfware so users can conveniently get application software from the network and can interact to other media by the internet such as webpage browsing video play online chatting games and entertainment online film and television and so on the task of this paper is according to the application requirement of android system in the network set top box and take hardware system of network set top box on as the research object and design out a android4 0 network set top box including high performance low cost low power consumption it support wifi wireless network transmission based on usb expansion and wired lan networks transmission receive and process audio and video stream and data stream got trougth network these stream is hard decoded by the main processor of network set top box and is displayed through rich external interface this paper analyses the hardware requirements of network set top box and hardware principle of android4 0 system and draw up the overall hardware system structure diagram of the network set top box and use the minimum system resolution based on hi3716mv300 processor 512mb ddr and 2gb flash according to the requirements and analysis and then detaily design the hardware system module of network set top box explain the principle of each function module and provide the schematic diagram of some parts and then design pcb of system through the pcb editor in cadence because this set top box use the android4 0 operating system when to research the realization of the business functions of the network set top box in the android system at the same time in the case not change the original android operating system architecture design and implemente extended functions and corresponding interface needed in each layer of system software at last test the electrical performance of set top box and provide the test methods and test results and analyse and modify nonconformities of test in the end the set top box reachs each performance index setted in the standard specification of set top box in the test keywords android stb network set top box intelligent operation system android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 网络机顶盒综述 1 1 2 1 网络机顶盒的概念 1 1 2 2 网络机顶盒与有线机顶盒的对比 2 1 2 3 网络机顶盒的分类 2 1 3 android 系统在机顶盒的应用 3 1 4 android 机顶盒的展望 4 1 5 课题研究内容及章节安排 4 2 硬件系统需求分析与方案选型 6 2 1 网络机顶盒硬件系统总体架构 6 2 2 网络机顶盒硬件系统需求分析 8 2 2 1 网络机顶盒的解码能力要求 8 2 2 2 android4 0 系统硬件需求分析 9 2 2 3 主芯片方案选型 12 2 3 网络机顶盒电路板需求分析 13 2 3 1 电路板布局结构框图 13 2 3 2 主板需求分析 14 2 3 3 前控板需求分析 15 2 3 4 端子板需求分析 15 2 3 5 系统电源需求分析 15 2 4 本章总结 15 3 网络机顶盒系统硬件设计 17 3 1 硬件系统总体设计方案 17 3 2 最小系统及其外围电路设计 19 3 2 1 ddr3 选型与电路设计 19 3 2 2 spi flash 选型与电路设计 20 3 2 3 nand flash 选型与电路设计 21 3 3 音视频输出模块单元设计 23 3 3 1 复合视频输出模块设计 24 3 3 2 分量视频输出模块设计 25 3 3 3 音频输出模块设计 25 3 3 4 hdmi 接口电路设计 27 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 3 4 网络接口模块设计 29 3 5 usb 与 uart 电路设计 31 3 5 1 usb 电路设计 31 3 5 2 uart 电路设计 31 3 6 电源管理单元设计 32 3 6 1 开关电源电路设计 33 3 6 2 低压差线性稳压电路设计 34 3 7 主板电路设计 35 3 7 1 关键信号的 pcb 设计 35 3 7 2 pcb 布线图设计 36 3 8 前面板电路设计与接口定义 37 3 9 本章总结 38 4 支持 iptv 业务的 android 系统的实现 39 4 1 概述 39 4 2 android 系统架构及功能扩展 39 4 3 关键功能扩展模块的实现 40 4 3 1 linux kernel 扩展 41 4 5 2 libraries 扩展 41 4 5 3 application framework 扩展 42 4 6 本章总结 44 5 机顶盒性能测试 45 5 1 视频性能测试 45 5 1 2 复合视频性能测试 45 5 1 2 分量视频性能测试 47 5 2 模拟音频性能测试 49 5 3 系统电磁兼容性测试 51 5 3 1 系统的电磁兼容性测试 51 5 3 2 系统电磁兼容性改进 52 5 4 功耗测试 54 5 5 本章总结 54 6 结语 55 参考文献 58 致谢 60 个人简历 61 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 发表的学术论文 61 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 1 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 近些年来 随着互联网的应用日益广泛 宽带网络的建设与拓展十分迅速 宽带提速已经为高带宽业务进入千家万户铺平了道路 目前电信和联通已经将家 庭用户的带宽提升到了10m 这就为高清网络机顶盒的应用提供了契机 高清网 络机顶盒除了画面清晰 能看高清频道的电视节目外 还具有高清交互数字电视 的网络功能 能让我们在享受高清画面的时候 足不出户就能通过高清交互式电 视享受 一站式 网上服务 这是传统有线机顶盒所做不到的 传统的有线机 顶盒所收看的节目都是固定的 不能接入互联网 也不能随消费者自己的喜好支 配电视节目 不具有可以加载的内容和应用 目前的网络机顶盒主流操作系统是嵌入式linux系统 其特点源代码公开 内核精简 运行所需资源少 网络功能强大 但是从本质上来讲它还是一种基础 的非智能操作系统 应用软件受限于开发商 且兼容性并不佳 互联网巨头谷歌 公司在2011年10月19日推出了android4 0系统使智能网络机顶盒的实现称为了 可能 android 4 0同时支持智能手机 平板电脑 电视等设备 至此android 系统设备将拥有真正开放和最为完整统一的先进特性 android4 0系统是目前可 以看到在机顶盒上应用的一款真正意义上的智能操作系统 它不仅集成了嵌入式 linux系统的优点 又由于其开放性为第三方应用软件设立了应用市场 用户可 以方便地从网络获取所需的应用软件 并通过网络与其他媒介进行互动 例如网 页浏览 视频影片播放 在线聊天 游戏娱乐 在线电影电视等 智能机顶盒是未来机顶盒的发展趋势 而 android4 0 又对机顶盒硬件系统 中处理器的主频 gpu 的能力和内存的大小提出了更高的要求 所以本课题设计 了一款网络机顶盒硬件系统 该机顶盒可以支持 android4 0 系统 为了支持网 络机顶盒的相关业务需求还对系统进行了功能扩展 并进行了电性能测试 1 2 网络机顶盒综述 1 2 1 网络机顶盒的概念 网络机顶盒 network set top box 是一种接入到宽带通信链路 如有线网 络 wifi 等 从而获取网上数据并在电视屏幕上提供显示输出的机顶盒 它不仅 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 2 可用于接收 解码数字音视频信号 还可通过电视实现因特网接入等功能 其工 作过程是 机顶盒通过网络接口模块接收网络流数据 送给机顶盒的主处理器进 行音视频流的解码 并通过相应的外设接口输出给电视进行显示与人机交互 1 2 2 网络机顶盒与有线机顶盒的对比 网络机顶盒与有线机顶盒对信息的获取途径不同导致了以下几点差异 网络接入方式不同 简单的说 网络机顶盒可以看成是一个通过 internet 互联网获得视频节目的机顶盒 也就是说有线机顶盒接的是同轴线缆 走的是有 线电视网 而网络机顶盒接的是网线 走的是互联网 主要功能不同 传统电视所收看的节目都是固定的 不能接入互联网 也不 能随消费者自己的喜好支配电视节目 不具有可以加载的内容和应用 而连接上 网络机顶盒 通过网线或无线 wifi 接入互联网 在电视机上实现网页浏览 视 频影片播放 在线聊天 游戏娱乐 在线电影电视等可依据自己喜好支配电视节 目 也可随意安装应用程序 节目内容不同 而从节目内容上看 普通机顶盒接收的是各个电视频道 而 网络机顶盒是通过互联网实现各种与电脑同样的功能 如 在线观看电影电视 游戏娱乐 网页浏览 微博 博客 收发邮件 在线聊天等内容 1 2 3 网络机顶盒的分类 网络机顶盒主要分为 tp tv 机顶盒和 ott 机顶盒两个大类 1 iptv 是通过 iptv 机顶盒从 ip 专网获取运营商专用服务器视听资源的一项 视频业务 其技术基于专用 ip 网络 它向家庭用户提供包括数字电视在内 的多种交互式服务的崭新技术 iptv 基础应用包括直播 点播 轮播等视频 相关业务 2 ott 机顶盒是 over the top stb 的缩写 是指基于开放式互联网 面向 电视传输的 ip 视频和互联网应用服务的机顶盒 ott 机顶盒视频来源获取广 泛 有着多屏分发 多屏互动的天然优势 本课题所设计的 android 网络机 顶盒也属于该类型 从技术发展角度上来看 ott 机顶盒一定是未来的趋势 iptv 机顶盒应该只 是一个中间过渡产品 从网络底层结构来看 iptv 与 ott 并无差异 都是 ip 网 络 二者区别只在于 iptv 使用的是电信运营商专设的虚拟专网 独享带宽 而 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 3 ott 则在公共互联网上 跑 共享带宽 1 3 android 系统在机顶盒的应用 市场上的网络机顶盒主要存在三种操作系统 一是苹果在第三代 apple tv 机顶盒上搭载的 ios5 系统 二是嵌入式 linux 系统 三是 android 操作系统 其中 ios5 系统作为专用操作系统只适用于苹果机顶盒 嵌入式 linux 系统是目 前网络机顶盒上使用最广泛的操作系统 其特点源代码公开 内核精简 运行所 需资源少 网络功能强大 android 系统是目前可以看到在机顶盒上应用的一款 真正意义上的智能操作系统 它不仅具有嵌入式 linux 系统的优点 还有大量免 费优秀开发工具和应用软件可用 是未来机顶盒发展的主流趋势 由于 android 操作系统的开放性为第三方应用软件设立了应用市场 用户 可以方便地获取所需的应用软件 并象电脑一样 运行这些软件 因此被冠之以 智能 的称呼 而搭载了 android 操作系统的机顶盒一般也称为智能机顶盒 智能机顶盒由于 android 与其他应用程序的扩展 其硬件系统所需的处理器的主 频 gpu 的能力和内存的大小相对于非智能网络机顶盒有更高要求 但作为开放 式互联网终端 其功能也大大超过了非智能网络机顶盒 它既可以满足网络视频 直播和点播 又可以象智能手机一样安装第三方应用软件 并通过网络与其他媒 介进行互动 例如视音频 网络视频会议 游戏 电子阅读 各种实用软件等 android 系统常见的版本包括经常应用在智能手机的 android 2 3 专属于 平板电脑的 android 3 0 以及最新推出的 android 4 0 其中兼容性最佳的 android 2 3 系统内置的 flash 插件已经通过了 adobe 公司认证 可以流畅地播 放网页上面的高清视频 但是 android 2 3 作为智能机顶盒操作系统的最大问题 点是 android 2 3 对遥控器 键盘等操作和大屏幕显示分辨率支持并不完善 直 到 google 公司推出了 android4 0 系统 android 4 0 只提供一个版本 同时支 持智能手机 平板电脑 电视等设备 至此 android 系统设备将拥有真正开放和 最为完整统一的先进特性 由于 android4 0 是完全适合电视大屏幕显示的开放式系统 并且应用程序 丰富 完全满足网络机顶盒的开发和应用要求 所以本课题设计了一款网络机顶 盒硬件系统 该系统完全支持 android4 0 系统 为了支持网络机顶盒的相关业 务需求还对系统进行了功能扩展 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 4 采用 android4 0 作为操作系统的机顶盒具有如下特点 1 拥有很好的扩展性 能够实现各种各样的娱乐功能 最大的优势在于拥有大 量免费的影音 娱乐 资讯类的应用程序下载与使用 2 全面优化浏览器性能 支持 html5 浏览器 能流畅运行各类视频网站 3 具有强大的多任务处理能力 并支持多任务并行和中断处理操作 用户可以 通过电视随时查看任务和流量 进行任务和流量管理 并可以在电视上实现 多屏互动和网络会议等功能 6 4 更生动 更立体 更动感的 ui 互交界面 通过 ui 界面展示可以看到 android4 0 机顶盒能够自定义桌面 壁纸和按钮 和电脑一样支持自建桌面 文件夹 同时也可以完成桌面和后台任务管理 5 在识别操控上 android4 0 机顶盒显得更加流畅 其不但可以进行语音识别 还能直接用语音来操控电视和互动评价 1 4 android 机顶盒的展望 开放式的android系统与网络机顶盒的结合 将使得网络机顶盒发展前景广 阔 未来android系统将取代现有的linux系统作为网络机顶盒应用的主流趋势 在未来的发展呈现出以下几大特点 首先 android系统全开放性成为网络电视的平台标准之一 消费者可以根 据自主需求安装网络电视应用程序 可以满足消费者自主选择的需求 其次 传统电视节目和互联网内容融合 android操作系统丰富了网络电视 节目内容库 消费者不但可以收看传统电视节目 还可以将电视作为登录浏览器 的入口平台 通过高速的网络搜索或下载更多节目内容 再次 基于android同源性平台 android网络电视将成为pc 手机的延展和 基于云端的内容平台 可以共享同类的程序 内容 应用等资源 比如 手机可 以当遥控器控制机顶盒等 最后 在开放式的android操作系统中 用户可以成为内容的创造者和开发 者 可以通过自主开发 共享各种程序软件 创造海量的应用内容 1 5 课题研究内容及章节安排 本文针对 android 系统在网络机顶盒中的应用需求 以网络机顶盒的硬件系 统为研究对象 设计出了一款高性能 低成本 低功耗的 android4 0 网络机顶 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 5 盒 本课题从硬件的角度出发 分析了整个机顶盒系统的配置需求 进一步设计 出了该系统的原理图与电路图 并扩展了相应的业务功能 最后根据系统的电性 能测试结果可以得知该系统的硬件设计完全满足技术要求 其主要内容可以分为 以下几个方面 第一章 介绍了本课题的研制背景及意义以及 android4 0 网络机顶盒的应 用优势 第二章 分析了网络机顶盒的硬件原理和 android4 0 系统的硬件需求 架构 了系统的电路布局方式并对其中的每个部分进行了需求介绍 第三章 设计了网络机顶盒的硬件原理图 并对其中各个功能模块的选型和 设计进行了详细的阐述 同时设计了系统的 pcb 图 第四章 研究在android系统上实现网络机顶盒相关业务功能时 在原有 android操作系统架构不变的情况下 设计并实现系统软件各层所需的扩展功能 及相应接口 第五章 对设计完成的网络机顶盒进行了电性能测试 给出了测试方法和测 试结果 并针对测试中出现的不合格项进行了分析与整改 最终达到了机顶盒测 试标准规范中的各项性能指标 总结 对本文所做的工作和采用的方法进行了概括 并针对存在的不足 对 今后的工作进行了展望 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 6 2 硬件系统需求分析与方案选型 本章主要是从网络机顶盒硬件系统的角度 针对该机顶盒所需功能以及系统 运行要求进行分析 对机顶盒硬件方案进行定型 并对整个系统的架构进行了初 步的规划 2 1 网络机顶盒硬件系统总体架构 网络机顶盒的硬件架构主要是由软件和硬件两大部分组成 对比普通机顶盒 其差异主要是数据流主要通过网络接口而不是通过高频头输入 省却了tuner解 调和ca卡部分 其整个硬件系统更加精简 成本相对于普通机顶盒也更加具有优 势 另一方面由于数据流的获取主要是通过网络 所以其软件平台可以做到通用 性和开放性 可以减少软件的开发时间 机顶盒系统从硬件结构上来看主要存在三种结构的平台 即基于专用芯片构 组 基于多媒体信号处理构架和基于处理器构架的平台 而软件结构大多采用层 次化 模块化结构 或者采用中间件结构 目前 网络机顶盒根据使用主芯片的架构 主要可以分为三种解决方案 一 种是基于x86架构的机顶盒 它对音视频的解码能力最强 拥有成熟 齐全的应 用软件 软件与pc可以轻松实现资源共享 但基于x86的平台在运行使用时占用 cpu资源很大 对其它应用程序的系统响应会造成影响 另一种是基于多媒体处理器技术的机顶盒 这种芯片可以适合不同协议的通 信终端 该种方案一般使用dsp实现高清音视频的硬解码 处理速度相当快 但 由此也造成了对系统硬件要求颇高 成本高昂 最后是基于专用芯片组 asic soc编解码芯片 的机顶盒 基于专用芯片组的 机顶盒除了处理器以外 在芯片内还集成了一些其他的ip lntelligentproperty 模块 如video in video out audio in及audio out等 部分还集成图像压缩 硬件加速模块等 无需开发复杂的多媒体算法程序 由于基于asci soc的机顶盒 硬件系统精简 处理速度快 功耗低 成本可控 所以本课题设计的网络机顶盒 也基于该架构体系 网络机顶盒的硬件整体结构由核心控制单元 媒体处理单元以及各类接口组 成 其架构框图如图 2 1 所示 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 7 图2 1 网络机顶盒硬件架构 1 核心控制单元 核心控制单元一般采用嵌入式系统处理器芯片 运行实时操作系统 用以管 理机顶盒的活动进程和系统资源 最小系统中rom负责存储代码和基本的操作系 统服务程序 ram则由操作系统 应用服务程序和数据所共享 2 媒体处理单元 媒体处理单元一般嵌入与asic专用解码芯片或数字信号处理器中 该单元 的功能主要是对压缩视频流和音频流进行解码 不同的芯片方案对音视频流的解 码能力也各不相同 在方案选型时应根据需求选取合适的芯片组 3 图形控制与媒体播放接口 图形控制系统不仅产生菜单等服务程序所需的图形界面 此外还用于视频游 戏等应用中的图形加速显示 视频播放接口标清配置一般有cvbs端子 高清配置 可有ypbpr hdmi输出接口 音频接口分为模拟和数字音频 spdif 4 网络接口 网络机顶盒的基本配置应具有网络接口 其数据流主要是通过网络接口而非 高频头接口 其中网络接口按其接收方式主要分为有线网络接口和无限网络模块 根据应用需要可以配置多种辅助接口 比如lan口 wan口和wi fi等网络通信接 口 5 控制接口 控制接口是指用户操作控制机顶盒的接口 一般以红外接口为主 也有采用 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 8 蓝牙或wi fi技术 6 外围设备控制接口 为了在网络机顶盒上实现丰富的应用 机顶盒需要提供各种外设与拓展接 口 例如通过usb外接数码摄像头实现视频通信或者外接硬盘视频源实现本地播 放等 目前比较流行的拓展接口有usb sd卡 串口等接口 2 2 网络机顶盒硬件系统需求分析 2 2 1 网络机顶盒的解码能力要求 参考 q ct 2376 2011 电信对高清网络机顶盒的规范等要求 本课题所设计 的网络机顶盒作为开放性互联网的接收终端 其解码能力主要包括表 2 1 中的几 个方面 表 2 1 网络机顶盒的解码能力要求 互联网视频及本 地视频解码 编码格式 mpeg1 mpeg2 mp hl mpeg4 vc 1 wmv 7 8 9 divx xvid avs jizhun 平滑支持 rmvb option high profile level4 1 分辨率 最大可达1080p 编码模式 cbr vbr封装格式 ts mp4 mkv avi rmvb option flv f4v option 平均码率 互联网视频 最大可达10mbps 本地播放 最大 可达40mbps 3d视频解码 编码格式 h 264 3d格式 frame compatible 3d format fhd3d option 分辨率 最大可达1080p 编码模式 cbr 未来扩展支持vbr 封装格式 ts 码流 最大可达20mbps 音频解码 mpeg 1 layer 1 2 mpeg 1 layer 3 mpeg 2 aac lc main mpeg 4 aac lc main he aac v1 v2 ac 3 wav wma pcm ddp 透传必选 解码可选 dts 透传必选 解码可 选 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 9 输出模式 hdmi1 3 1080p 1080i 720p 576i 2 2 2 android4 0 系统硬件需求分析 非易失性存储器持有大量的数据 像 bootloader kernel images file system 等 这些是启动 android 系统所需的 有各种 android 系统的引导选项 它可以从 nand 或 emmc 或 sd 卡或串行闪存或可用的其他任何内存设备上进行系 统启动 以下是这些组件是这种非易失性存储器的一部分 1 引导加载程序 bootloader 2 内核 kernel 3 文件系统 filesystem 引导前 引导后 4 媒体 数据文件 如果可用 图2 2 android4 0系统启动需求 其中 data 是启动后文件系统中的一部分 android 系统会为核心架构和 应用程序创建缓存历史记录 同时创建应用程序将要使用的数据库文件 根据上 述分析 需要最小 105mb 的非易失性存储器才能够启动 android 系统 且 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 10 android4 0 系统的程序包越 600mb 考虑到机顶盒第三方应用程序的扩展和网络 升级功能 整个系统采用 2gb 的非易失性存储器 flash 是比较合适的 系统 ram 主要是执行应用程序或进程或服务所需的运行时内存 android4 0 操作系统运行时内存要求完全取决于所需的应用程序情况 实际上大量的 android4 0 系统内存是需要在多个进程之间共享 因此一个进程需要多少内存 是动态的 下面将简要的分析对于启动时和运行中的 android4 0 操作系统的最 低内存要求 表 2 2 为 android4 0 系统启动时所需的内存分配 当 android 系统启动后 将挂载许多服务 这将增加更多的内存 表 2 2 android4 0 的内存 框架 framework 模块模块 描述描述 约大小约大小 mbmb 备注备注 核心 java 库 一套的android系统的各 种组件所使用的 java 库 13 库将分配更多运行时空间来 创建每个应用的实例 核心系 统库 一套的android系统的各 种组件所使用的 c c 库 包括系统 c 库 webcore 用于浏览器 sgx 蓝牙 sqllite freetype 和其他杂项 27 surface flinger 管理显示子系统的访问 和无缝地包含多应用个 程序的无2d和3d图形图 层 5 surfaceflinger 将分配缓冲 区用于 显示曲面 启动器图标 状态栏 正常二 是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平 以防止不同电压通过网线传输损 坏设备 26 除此而外 网络变压器还能对设备起到一定的防雷保护作用 3 5 usb 与 uart 电路设计 3 5 1 usb 电路设计 hi3716m处理器内置了usb控制器 具有2个usbhost接口 且内置15k下拉电 阻可直接连接两个usb接口插座 usb接口由一条4芯电缆连接 其中2条是正负电 源 传送的是5v的电源 2条是数据传输线 usb2 0接口具有高达480mbps的传输 速率 并与传输速率为12mbps的全速usb1 1和传输速率为1 5mbps的低速usb1 0 完全兼容 在硬件设计为了对可能遇到的usb接口大负载过流或短路的情况下进行电路 保护 系统采用了具有过载保护功能的usb供电芯片aat4626 其内部含两个mos 管电路开关控制 单管电流限制为500ma 并同时实现输入电压检测 低于2 3v 及热关断 125度 当系统出现过载或短路时 其内部的mosfet驱动电路会输出 低电平告知hi3716m hi3716m通过控制at4626的使能端1 4脚来关断电压 3 5 2 uart 电路设计 hi3716m 有一路 uart 接口 主要作用是程序的调试并查看串口信息 其设计 电路如图 3 13 所示 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 32 图 3 13 uart 通信电路 图3 13 中主芯片的串口发送信号 uart txd0 通过 npn三极管 q7 进行电平转 换 以 12v ttl 电平输出串口打印信息 接受信号 uart rxd0 通过 npn 三极管 q5 进行电平转换 以 3v3 cmos 电平输入与主板 hi3716m 进行通讯 3 6 电源管理单元设计 本系统电源由市电ac 220v输入 经过外部适配器以 12v输入给整个硬件系 统使用 hi3716m机顶盒正常工作时的典型功耗大约在7w左右 考虑到usb扩展所 需的最大功耗5w 外接适配器采用12v 1a的规格比较合适 12v为主电源 经过 主板内部的开关电源及线性电源的转换 给其它的功能模块供电 如图3 14所示 里面列举了系统中的主要模块工作时的供电电压和消耗电 流 具体电路设计时要考虑到电流大小与电压精度的要求合理选择开关电源或线 性稳压电源 图 3 14 电源管理模块框图 由图 3 14 可得 整个系统供电电压有 12v 1 3v 5v 3 3v 1 5v 和 1 3v standby 组成 其中 12v 除作为主电源功能之外还作为音频防爆破音电路的检测 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 33 电压和串口通信的电平转换电压 1 3v 给主芯片的内核与 hdmi 模块供电 5v 是给音视频驱动电路以及 usb 供电 3 3v 分为四路供电 其中一路直接给主芯 片内部单片机和 ir 接收口供电 另一路通过一个 pmos 管给 spi flash nand flash 网络 phy 电路以及主芯片的 io 口 数模 模数转换模块口供电 由于 ddr3 供电电压精度比较高 所以其所需的 1 5v 是通过 ldo 有 3 3v 电压转换而 得到 最后一路 1 3v standby 该路的主要功能是在系统进入待机状态后给主 芯片内核提供系统休眠所需电压 整个系统在设计时已考虑到了系统真待机功能的实现 其工作原理是 在系 统正常工作当中 当按下机顶盒的电源开关后或主芯片检测到了遥控器输入的待 机指令后 主芯片内部单片机standby控制信号变为低电平 standby信号控制3 3 mos和1 3v与5v的dc dc使能端时期输出为0v 同时主芯片和ddr3接收到standby 信号进入待机休眠模式 该模式下系统只有主芯片内的单片机与ir口工作 主芯 片内核和ddr3都进入待机模式 系统的其他部分不供电 整个系统的功耗低于1w 系统实现真待机 3 6 1 开关电源电路设计 由上面的分析可得 系统中 1 3v 5v 3 3v 的供电电流都在 1a 2a 之间 考虑到效率问题 其供电方式使用开关电源 开关电源的效率高 发热量小 缺 点是纹波和噪声相对线性电源会大一些 本系统选用的开关电源 mp1482 是一款 内置两颗 mos 管的同步整流降压 dc dc 并且属于 buck 开关电源 工作频率为 340khz 最大输出电流为 2a 输出电压最小为 0 923v 效率可以达到 93 mp1482 是基本工作原理是 反馈电压跟参考电压比较后得到 comp 端电压 comp 端电压决 定了 dc dc 峰值电流以及占空比 而占空比变化控制输出电压变化 从而达到负 反馈控制目的 此外 mp1482 还具有短路和过流保护功能 它可以在内部 mos 开 关的每个周期都电流进行实时监控 当输出对地短路时 上管限流电阻所采样的 电压达到所设定的限流点 典型值 3 4a 芯片工作频率变成 100khz 并且 comp pin 被钳位 芯片以最小占空比模式运行 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 34 图 3 15 mp1842 典型应用电路 图3 15为mp1842的典型应用电路 其输入电压范围为 4 75 18v c1为输入 端的滤波电容 容值一般为10uf 为了实现真待机功能 1 3v与5v输出的dc dc 使能端en接系统standby信号控制 电源输出端功率电感l1和c2构成lc电路 用 于储能和整流 r1和r2是系统的反馈电阻 给芯片的fb脚提供反馈电压 根据输 出电压公式vo vref 1 r1 r2 vref典型值为0 923v 可以通过r1与r2的 阻值调节系统的输出电压 当系统的输出电压为 1 3v 时 取精密电阻 r1 5 6k r2 12k 当系统的输出电压为 5v 时 取精密电阻 r1 37 4k r2 8 21k 当系统的输出电压为 3 3v 时 取精密电阻 r1 32 6k r2 12k 3 6 2 低压差线性稳压电路设计 由于 ddr3 供电电压 1 5v 要求纹波 噪声要小 因此采用低压差线性稳压器 来单独实现 此处采用 ld1117 adj 来实现 3 3v 到 1 5v 的转换 对 ddr3 模块供 电 另一路 3 3v 转 1 3v standby 给内核待机电路供电 android4 0 系统的网络机顶盒硬件设计 35 图 3 16 ld1117 典型应用电路 图 3 16 ld1117 典型应用电路 其中输入和输出端都需要并联一个 22uf 的 电容对电源进行滤波 其 adj 脚的反馈系数 vref为 1 25v 由输出电压公式 vout vref 1 r20 r26 可得 当系统的输出电压为 1 3v 时 取精密电阻 r1 1 3k r2 110r 当系统的输出电压为 1 5v 时 取精密电阻 r1 274r r2 56r 3 7 主板电路设计 此 pcb 布板采用 fr 4 双层板设计 分别为 top 层 bottom 层 表层主要 放芯片 接插件及大部分电容电阻 底层主要作为地回路层 放一些贴片滤波电 容及贴片电阻 过孔采用 via10 via12 两种过孔 对电源线 地线及较粗的走线 采用 via12 ddr3 信号线可选用 via10 其它可根据情