PDA智能手機(jī)設(shè)計(jì)方案研究

1、嵌入式系統(tǒng)PDA智能手機(jī)設(shè)計(jì)方案一、前言 隨著手持通信設(shè)備市場(chǎng)的快速發(fā)展，手機(jī)的功能逐漸增多?，F(xiàn)在手機(jī)已經(jīng)不只是用于語音通信的手持設(shè)備，而成為集成了短信、彩信、上網(wǎng)以及移動(dòng)辦公等附加功能的 HYPERLINK http:/ t _blank 嵌入式通信平臺(tái)。集成了這些功能的手機(jī)被稱為智能手機(jī)。近年， HYPERLINK http:/ t _blank 嵌入式處理器的運(yùn)行速度和功能都有了很大的提高，使得許多以前只能在PC上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，現(xiàn)在都可以在手持設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。目前，市面上的智能手機(jī)主要采用Microsoft公司的Pocket PC、Palm OS等商用操作系統(tǒng)，但這些操作系統(tǒng)開放的程序不夠高，

2、限制了許多第三方應(yīng)用軟件的移植。為使智能手機(jī)能夠?yàn)榈谌綉?yīng)用軟件提供一個(gè)更為開放的嵌入式平臺(tái)，本文對(duì)智能手機(jī)系統(tǒng)做了比較深入的研究，提出一種以Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)、Motorola的MX1作為微處理器、以Wavecom的Q2403A作為射頻模塊的智能手機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 二、智能手機(jī)(PDA)簡(jiǎn)介 PDA是Personal Digital Assistant的縮寫，字面意思是“個(gè)人數(shù)字助理”。這種手持設(shè)備集中了計(jì)算，電話，傳真，和網(wǎng)絡(luò)等多種功能。它不僅可用來管理個(gè)人信息（如通訊錄，計(jì)劃等），更重要的是可以上網(wǎng)瀏覽，收發(fā)Email，可以發(fā)傳真，甚至還可以當(dāng)作手機(jī)來用。尤為重要的是，這些

3、功能都可以通過無線方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，并不是任何PDA都具備以上所有功能；即使具備，也可能由于缺乏相應(yīng)的服務(wù)而不能實(shí)現(xiàn)。但可以預(yù)見，PDA發(fā)展的趨勢(shì)和潮流就是計(jì)算、通信、網(wǎng)絡(luò)、 HYPERLINK http:/www.storw/ t _blank 存儲(chǔ)、娛樂、電子商務(wù)等多功能的融合。 PDA一般都不配備鍵盤，而用手寫輸入或語音輸入。PDA所使用操作系統(tǒng)主要有 Palm OS， HYPERLINK http:/ t _blank Windows CE和EPOC。 三、個(gè)人PDA需求分析 作為3C融合到一個(gè)終端典范的智能手機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)通訊功能外，還可以實(shí)現(xiàn)很多計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品的功能，而且體積小，

4、具有便攜性和多功能性的雙重優(yōu)勢(shì)，通過安裝應(yīng)用軟件后，能隨時(shí)隨地的滿足不同消費(fèi)者的差異化需求，因而具有其他產(chǎn)品不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 IC技術(shù)的進(jìn)步為智能手機(jī)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)提供了可能，為了縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期而存在先進(jìn)SOC設(shè)計(jì)理念，65nm乃至更窄線寬制程技術(shù)，BGA、CSP、MCP和SI先進(jìn)封裝技術(shù)和理念都為智能手機(jī)的技術(shù)進(jìn)步、功能實(shí)現(xiàn)和性能提升提供了強(qiáng)有利的支撐。 3G即將啟動(dòng)，帶寬的顯著提升，為智能手機(jī)的許多新功能流暢實(shí)現(xiàn)、性能提升提供了強(qiáng)有力的保證。如擁有DMB（數(shù)字多媒體廣播）功能的智能手機(jī)在2G和2.5G上很難實(shí)施，即使實(shí)施，效果也會(huì)差很多，畫面清晰度、播放流暢性都令人質(zhì)疑，而這一切在3 G

5、網(wǎng)上都不是問題。 智能手機(jī)正面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)會(huì)和便利，隨著消費(fèi)者認(rèn)知程度的提高和使用習(xí)慣的養(yǎng)成，智能手機(jī)在整個(gè)手機(jī)市場(chǎng)銷售份額將顯著提升，未來5年內(nèi)，將會(huì)從目前的6%左右提升到20%以上，伴隨而來的將是智能手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的巨大商業(yè)機(jī)會(huì)。 四、智能手機(jī)(PDA)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 主要參數(shù)： CPU: HYPERLINK http:/ t _blank arm920T 200MHz(Motorola MC9328MXL)； 顯示: AU 3.5 Reflective TFT LCD with LED front light 65,536色； ROM: 32MB Flash； RAM: 64

6、MB SDRAM； 音效: 內(nèi)置單聲道麥克風(fēng)、內(nèi)置單聲道揚(yáng)聲器、立體聲耳機(jī)插口； 觸屏：電阻式觸摸屏； SD/MMC: 1個(gè)SD卡插槽，MMC Ver3, 1.0標(biāo)準(zhǔn)SDMC； USB: USB 2.0主，從口； 紅外：IrDA, 115Kpbs； 串口：RS-232口； LED: 紅(在充電指示)、綠(軟件運(yùn)行或電池故障指示) 電源管理：Full featured - Sipports Run, Idle and Sleep modes 復(fù)位：設(shè)置復(fù)位開關(guān)； 電池：3.7V鋰離子電池 物理尺寸：主板尺寸為65x53x5.5mm 電源適配器：5V直流； 外部連接器：Possible integ

7、ration、CF卡、Sensor、Bluetooth、SIM Card、其他 智能手機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。該設(shè)計(jì)采用Motora公司的MX1（MC9328）高性能的32位微處理器、Wavecom公司的Q2403A無線收發(fā)模塊等實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)的GSM通話、GPRS上網(wǎng)及其它PDA應(yīng)用等功能。 1 微處理器 MC928MX1（以下簡(jiǎn)稱MX1）是摩托羅拉公司基于ARM核心的第一款MCU，主要面向高端嵌入式應(yīng)用。內(nèi)部采用 HYPERLINK http:/ t _blank arm920T內(nèi)核，并集成了SDRAM/Flash、觸摸式LCD、USB、藍(lán)牙（bluetooth）、多媒體閃存卡（MMC）

8、、CMOS攝像頭等控制器。作為應(yīng)用開發(fā)的最小系統(tǒng)必須包括RAM（程序運(yùn)行空間）、Flash（存放目標(biāo)代碼）和串行接口（用于調(diào)試和 HYPERLINK http:/ t _blank 下載程序）。MX1提供了6個(gè)片選端（CS0CS5），內(nèi)置了SDRAM控制器，數(shù)據(jù)寬度32位。在本系統(tǒng)中采用了2片8M16位的SDRAM和2片4M16位的同步Flash HYPERLINK http:/www.storw/ t _blank 存儲(chǔ)器，分別接入數(shù)據(jù)線的低16位和高16位。 2 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 存儲(chǔ)器的物理實(shí)質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器

9、按存儲(chǔ)信息的功能可分為只讀存儲(chǔ)器ROM（Read Only Memory）和隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（Random Access Memory）。嵌入式系統(tǒng)中的固態(tài)存儲(chǔ)一般不用E2PROM，而用Flash存儲(chǔ)器。 下圖為存儲(chǔ)器系統(tǒng)的組成： 下圖為Flash存儲(chǔ)器部分的原理圖： SD存儲(chǔ)卡電路： 3電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路 1. 電源 電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供電力。電源部分的關(guān)鍵問題是低功耗的設(shè)計(jì)問題，低功耗的措施一般有：降低電壓、降低時(shí)鐘頻率、選擇低功耗器件等等。本系統(tǒng)電源的提供有電池供電和市電供電兩種。電池供電功耗低、供電穩(wěn)定、扛干擾能力好，但峰值性能不好。市電供電要有相應(yīng)的AC-DC的適配器，并在系統(tǒng)上

10、配置相應(yīng)的線性穩(wěn)壓器進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換。 下圖為系統(tǒng)電源電路部分原理圖： 2. 時(shí)鐘 時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生常用的有RC時(shí)鐘、晶體振蕩時(shí)鐘、鎖相環(huán)倍頻時(shí)鐘等。該系統(tǒng)中選擇OM3:2均接地的方式，即采用外部振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘。外部振蕩器由12MHz晶振和2個(gè)15pF的微調(diào)電容組成。 下圖為時(shí)鐘電路部分原理圖： 3. 復(fù)位 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)常用的有RC復(fù)位、專用電路復(fù)位、軟件復(fù)位等。下圖為復(fù)位電路部分原理圖系統(tǒng)初始化時(shí)對(duì)時(shí)鐘的操作： 系統(tǒng)的初始化程序代碼，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化檢測(cè) 電源部分，應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需求設(shè)置掉電模式和關(guān)閉喚醒的代碼 時(shí)鐘部分要根據(jù)需求設(shè)置鎖相環(huán)，參考代碼如下： ldr r0,=LO

11、CKTIME ldr r1,=0 xffffff str r1,r0 ldr r0,=MPLLCON ldr r1,=(M_MDIV12)+(M_PDIV4)+M_SDIV) ;Fin=12MHz,Fout=50MHz str r1,r0 4LCD模塊 LCD( Liquid Crystal Display)顯示器即常說的液晶顯示器，具有耗電省、體積小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。常見的LCD有TN(Twist Nematic)、STN、TFT(Tin Film Transistor)等。LCD的主要參數(shù)有分辨率、背光、接口、色彩、刷新率等。 LCD控制器功能模塊圖： 接到LCD的線都經(jīng)過

12、了74LVC16245進(jìn)行驅(qū)動(dòng)： LCD控制器硬件連接：5.以太網(wǎng)接口芯片以太網(wǎng)是由Xeros公司開發(fā)的一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，最初使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，采用載波多路訪問和碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10Mbps。雖然以太網(wǎng)是由Xeros公司早在20世紀(jì)70年代最先研制成功的，但是如今以太網(wǎng)一詞更多的被用來指各種采用CSMA/CD技術(shù)的局域網(wǎng)。以太網(wǎng)被設(shè)計(jì)用來滿足非持續(xù)性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰琁EEE 802.3規(guī)范則是基于最初的以太網(wǎng)技術(shù)于1980年制定。以太網(wǎng)版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel、和Xeros三家公司聯(lián)合開發(fā)，

13、與IEEE 802.3規(guī)范相互兼容。 在Internet網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)可以算是應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層 HYPERLINK http:/ t _blank 協(xié)議了?，F(xiàn)在的操作系統(tǒng)均能夠同時(shí)支持這種類型的 HYPERLINK http:/ t _blank 協(xié)議格式。 從硬件的角度看，以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口（Physical Layer，PHY）兩大部分構(gòu)成，目前常見的以太網(wǎng)接口芯片，如RTL8019、RTL8029、RTL8139、CS8900、DM9000等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也主要包含這兩部分。本系統(tǒng)采用CS8900芯片。 基于CS8900A的以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)： RJ45接口信號(hào)

14、定義，以及網(wǎng)線連接頭信號(hào)安排 以太網(wǎng) 10/100Base-T 接口: 1 TX+ Tranceive Data+ (發(fā)信號(hào)+) 2 TX- Tranceive Data- (發(fā)信號(hào)-) 3 RX+ Receive Data+ (收信號(hào)+) 4 n/c Not connected (空腳) 5 n/c Not connected (空腳) 6 RX- Receive Data- (收信號(hào)-) 7 n/c Not connected (空腳) 8 n/c Not connected (空腳) 嵌入式系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò) HYPERLINK http:/ t _blank 協(xié)議：一般用戶的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)

15、在應(yīng)用層完成，底層利用操作系統(tǒng)提供的現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。 CS8900A的連接CPU部分： 6USB 總線接口 niversal Serial Bus通用串行總線）是由Compaq、HP、Intel、Lucent（朗訊）、Microsoft、NEC和Philips七家公司聯(lián)合推出的新一代標(biāo)準(zhǔn)接口總線。該總線是一種連接外圍設(shè)備的機(jī)外總線，最多可連接127個(gè)設(shè)備，為微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充和配置外部設(shè)備提供了方便。USB規(guī)范有多種版本，最早的版本是1994年11月推出的USB 0.7版 。1996年1月推出了標(biāo)準(zhǔn)版本USB l.0，目標(biāo)是為中低速的外圍設(shè)備提供雙向、低成本的總線，數(shù)據(jù)傳輸率最高為12Mb/s。

16、隨著微機(jī)系統(tǒng)及其外設(shè)性能和功能的增強(qiáng)，需處理的數(shù)據(jù)量越來越大，2000年4月又推出了新的USB規(guī)范USB 2.0。在新版本中，增加了一種480Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，以滿足日益復(fù)雜的高級(jí)外設(shè)與PC機(jī)之間的高性能連接需求。USB2.0是USB的自然升級(jí)，它在保留原有USB規(guī)范的基礎(chǔ)上又提供了更高的帶寬，并且與現(xiàn)有的外設(shè)保持完全兼容。這里采用的是USB2.0接口。 7音頻輸出和麥克風(fēng)電路 下圖為音頻電路部分原理圖： 下圖為麥克風(fēng)電路部分原理圖：8無線收發(fā)模塊 本系統(tǒng)采用WAVECOM公司的專用無線收發(fā)模塊。它是雙頻GSM模塊（EGSM900/1800MHz），其設(shè)計(jì)及開發(fā)符合ETSI GSM Pha

17、se 2+標(biāo)準(zhǔn)。具有話音、GSM電路數(shù)據(jù)/傳真、GPRS分組數(shù)據(jù)、短消息等功能。該模塊支持AT指令集，通過RS232與MX1通信。五、智能手機(jī)(PDA)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分析和軟件設(shè)計(jì)是智能手機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性等。因?yàn)橐骖櫟紾SM語音控制與其它智能手機(jī)應(yīng)用之間的互相切換及關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能手機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就變得相對(duì)復(fù)雜。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將軟件分為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。最下面一層為操作系統(tǒng)層，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Linux操作系統(tǒng)的移植，其中包括Bootloader引導(dǎo)程序、LCD等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。中間層為服務(wù)程序?qū)?，該層主要包括GUI HYPERLINK http:/

18、t _blank 服務(wù)器以及GSM/GPRS控制 HYPERLINK http:/ t _blank 服務(wù)器。智能手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于各項(xiàng)功能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。對(duì)智能手機(jī)軟件進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，有利于各個(gè)功能有機(jī)地協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也便于軟件的開發(fā)與調(diào)試。 1嵌入式Linux操作系統(tǒng) Linux最初是由Linux Torvalds編寫及發(fā)布的源代碼公開、可免費(fèi)使用的操作系統(tǒng)。后來，又通過Internet上成百上千的程序員的加入，使Linux成為一個(gè)幾乎支持所有主流32位CPU的操作系統(tǒng)。其特點(diǎn)主要有：內(nèi)核高效穩(wěn)定、公開源代碼、可移植性、可裁減、支持多任務(wù)等。 本設(shè)計(jì)中采用的Linux內(nèi)核是 HYPERLIN

19、K http:/ t _blank arm-Linux基礎(chǔ)上，編寫符合硬件設(shè)計(jì)的引導(dǎo)程序及電源管理控制程序；并針對(duì)本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，編寫了LCD、觸摸屏等硬件設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序。 智能手機(jī)基于Linux操作系統(tǒng)工作時(shí)，首先初始化CPU；然后加載各個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，初始化存儲(chǔ)器及外圍設(shè)備；最后啟動(dòng)各服務(wù)程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 2服務(wù)程序的設(shè)計(jì) 智能手機(jī)系統(tǒng)中的服務(wù)程序主要有GUI Server和GSM/GPRS Server，它們是上層應(yīng)用賴以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 GUI Server 為使系統(tǒng)能夠很好地支持瀏覽器及MMS等界面復(fù)雜的應(yīng)用，具有良好的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)中的GUI Server設(shè)計(jì)采用了客戶機(jī)/服務(wù)器

20、模式，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式對(duì)圖形設(shè)備接口進(jìn)行封裝，具體如圖3所示。 服務(wù)進(jìn)程與應(yīng)用進(jìn)程之間采用Linux提供的消息隊(duì)列進(jìn)行通信。服務(wù)進(jìn)程保存系統(tǒng)GUI環(huán)境的描述信息，為應(yīng)用進(jìn)程提供注冊(cè)及一些計(jì)算任務(wù)，如計(jì)算當(dāng)前剪切域內(nèi)容等。此外，還負(fù)責(zé)顯示桌面。應(yīng)用程序的啟動(dòng)后，首先與服務(wù)進(jìn)程建立連接并進(jìn)行交互，將自身的一些描述信息發(fā)送到服務(wù)進(jìn)程。 服務(wù)進(jìn)程和應(yīng)用進(jìn)程通過調(diào)用動(dòng)態(tài)庫實(shí)現(xiàn)基本窗口顯示功能。其中窗口樹與剪切域都定義在動(dòng)態(tài)庫中，對(duì)于服務(wù)進(jìn)程或應(yīng)用程序而言，它們是透明的，不需要進(jìn)行管理。因服務(wù)進(jìn)程與客戶進(jìn)程分別運(yùn)行在不同的進(jìn)程空間中，所以雖然在動(dòng)態(tài)庫中定義了相同的數(shù)據(jù)，但它們之間不會(huì)產(chǎn)生任何沖突。 設(shè)

21、計(jì)對(duì)動(dòng)態(tài)庫中封裝的函數(shù)進(jìn)行了分層。其中直接針對(duì)Framebuffer進(jìn)行輸出的函數(shù)位于系統(tǒng)最低層，其上是設(shè)備上下文。因每次對(duì)一個(gè)窗口輸出的時(shí)都要首先建立設(shè)計(jì)上下文，所以設(shè)備上下文總可以引用窗體結(jié)構(gòu)，自然也可以引用到窗口剪切域，在剪切域范圍內(nèi)才可以進(jìn)行輸出。 圖形設(shè)備接口建立在設(shè)備上下文之上，主要包括點(diǎn)、線、面、文本等。如上文所述，輸出之前，首先建立設(shè)備上下文，即其輸出的目標(biāo)是設(shè)備上下文，而不是窗口。 圖形設(shè)備接口的上層是應(yīng)用開發(fā)接口即API層，桌面進(jìn)程與客戶進(jìn)程都通過調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 另外，系統(tǒng)建立了輸入的抽象層，屏蔽了不同輸入設(shè)備。 GSM/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件 GSM/GPRS Server多工通信服務(wù)器軟件是電話、短信及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的守護(hù)進(jìn)程，負(fù)責(zé)響應(yīng)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)發(fā)的用戶操作事件及從串口的獲得的無線通信模塊事件，是整個(gè)智能手機(jī)系統(tǒng)的核心。在這部分的工作中要實(shí)現(xiàn)多鏈路的數(shù)據(jù)通信、事件優(yōu)先級(jí)判別，并在執(zhí)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，保證電話、短信的接入。具體程序設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖所示。 3機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 有了中間層的服務(wù)程序，上層應(yīng)用程序可以根據(jù)GUI Server及GSM/GPRS Server提供的接口進(jìn)行移植和開發(fā)。本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了電話控制程序、短信