基于SHARP LH7A400嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)軍用PDA的設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的信息化和電子化，功能多樣而又精巧實(shí)用的掌上型智能設(shè)備（軍用PDA）日益受到軍方的重視。由于軍用PDA需要將衛(wèi)星定位、無線通信、圖像攝取傳送等等功能集于一體，對于高科技戰(zhàn)爭中各作戰(zhàn)個(gè)體至關(guān)重要，國外一些國家早已從事相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)，并將此類產(chǎn)品裝備到特定的作戰(zhàn)場合。軍用PDA產(chǎn)品根據(jù)不同的應(yīng)用場合有不同的功能要求，涉及多種當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，如嵌入式CPU應(yīng)用、多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS、GIS應(yīng)用、衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位、無線通信、藍(lán)牙技術(shù)、CCD技術(shù)、圖像處理技術(shù)等。本文結(jié)合一款通用的32位CPU來闡述軍用PDA的構(gòu)成以及實(shí)現(xiàn)方法。

1．硬件實(shí)現(xiàn)：

根據(jù)現(xiàn)代軍隊(duì)的高科技作戰(zhàn)的特點(diǎn)，我們?yōu)檐婈?duì)而設(shè)計(jì)的PDA就應(yīng)該符合軍事的特殊要求。首先在功能上應(yīng)該具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定的定位功能、清晰的圖像處理傳輸、無線通訊等。這樣我們的硬件構(gòu)成也就基本確定。

1．1．CPU簡介：

CPU作為PDA產(chǎn)品的控制核心，應(yīng)具備低功耗、超低溫、支持LCD驅(qū)動(dòng)等功能。SHARP LH7A400是一款以ARM9為內(nèi)核的嵌入式處理器。它是一個(gè)高集成的32位的ARM922T RISC精簡指令集的處理器核。它恰當(dāng)?shù)奶峁┝撕芏郔/O功能，配合很少量的外圍邏輯就可以集成一個(gè)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。以下簡要介紹處理器的主要特征：

· 三個(gè)串行口、同步串行口（SSP）、一個(gè)IrDA紅外口

· PCMCIA/CF控制器

· AC97 Codec 接口控制器

· 可編程LCD控制器

· USB控制器

· SMART CARD 接口

· MultiMediaCard 接口

· 60個(gè)通用可編程口

· JTAG 編程接口

· 三個(gè)串口

· 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

· 看門狗時(shí)鐘

1．2．電源規(guī)劃：

軍用PDA的使用環(huán)境有相當(dāng)?shù)囊徊糠质窃谝巴?，而野外的工作環(huán)境是無法對PDA 設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性的充電，但是我們的外設(shè)又非常的多，電流消耗又非常的大。這樣就存在了一個(gè)很突出的矛盾。因此在電路設(shè)計(jì)中我們要對其進(jìn)行十分細(xì)致的規(guī)劃。

首先我們這里采用大容量的鋰電池，例如1000mAh甚至更大。其次這里我們大量的采用LDO，把每一個(gè)電源消耗環(huán)節(jié)盡量的進(jìn)行細(xì)分已達(dá)到能都獨(dú)立供電或組合供電來控制設(shè)備的啟用和停止。再次對大電流設(shè)備我們要進(jìn)行獨(dú)立供電。我們不僅僅要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定電源需求，同時(shí)也要保證例如GPRS等模塊的大電流消耗。最后要特別注意在特定模塊部分電源啟動(dòng)時(shí)的電源沖擊問題，如果不給予足夠的認(rèn)識就會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至于死機(jī)。

1．3．CCD接口：

CCD圖像技術(shù)可用于特定的場合，如偵察、探測等，借助軍用PDA的存儲、處理和傳輸功能來達(dá)到相應(yīng)的軍事目的。這里我們就采用30萬象素甚至更高分辨率的CMOS來滿足我們的需求。同時(shí)為了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求我們還要添加一片F(xiàn)IFO來對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存以免數(shù)據(jù)的丟失。

1．4．USB通訊接口：

通過USB 接口我們可以把例如圖像資料、 衛(wèi)星定位系統(tǒng)航道信息等許多重要的需要另外進(jìn)行存儲和分析的信息進(jìn)行傳輸。USB1.1的接口足夠滿足絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)通訊需求。這里我們采用的CPU就包含一個(gè)USB Device 接口，通過對特定寄存器進(jìn)行控制以及軟件的編寫便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串行通訊的需要。

1．5．衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)：

衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）是PDA的一個(gè)十分重要的基礎(chǔ)部分，在戰(zhàn)爭中的作用已是有目共睹的。除導(dǎo)彈的制導(dǎo)等功能外，在軍用PDA產(chǎn)品中，配合軍用地圖，衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)能夠讓各作戰(zhàn)個(gè)體精確地確定自己的位置，為特殊地形下的部隊(duì)集結(jié)或特定目的的行進(jìn)提供保證。

GIS（地理信息系統(tǒng)）作為軍用PDA的重要應(yīng)用，通常是將特定的軍用電子地圖嵌入到PDA中，并能夠縮放、旋轉(zhuǎn)和拖動(dòng)，能夠以此為平臺隨時(shí)標(biāo)識作戰(zhàn)個(gè)體的精確地理位置。

為了實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)思想，我們可以采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)模塊來代替分離元件集成設(shè)計(jì)的方式。通過特定的串行通訊口就簡單的實(shí)現(xiàn)了模塊與CPU的通訊。

1．6．無線通訊：

無線通信技術(shù)用于軍用PDA中能夠讓各作戰(zhàn)個(gè)體相互聯(lián)系，并與指揮中心保持聯(lián)絡(luò)。民用相關(guān)產(chǎn)品可采用GSM或CDMA技術(shù)，但作為軍用則必須通過其它方式或進(jìn)行特殊的加密。我們可以看到無線語音技術(shù)是多么的重要，因此他是不可缺少的重要組成部件。這里我們采用工業(yè)或軍品級別的GSM模塊以滿足特定需求。

1．7．紅外接口：

紅外串行通訊接口是短距離通訊常用的方式，因其方便實(shí)用所以絕大多數(shù)的掌中設(shè)備都有紅外接口。SHARP7A400集成了紅外串行高速接口控制器，因此這里僅僅需要將其進(jìn)行電氣連接就可以實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)的發(fā)送接收。

2．軟件實(shí)現(xiàn)：

因?yàn)樵谝巴馇闆r記錄的數(shù)據(jù)往往都是不可重復(fù)記錄的，因此我們在軟件方面要充分考慮到數(shù)據(jù)備份的重要性。同時(shí)系統(tǒng)要保持很高的穩(wěn)定性，必須具備死機(jī)后自動(dòng)重啟等多種自我保護(hù)功能。圍繞CPU必須有一層操作系統(tǒng)及文件系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)等，還需要有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議來處理通信。在此基礎(chǔ)上來構(gòu)筑上層應(yīng)用軟件。

因此我們選用操作系統(tǒng)的時(shí)候要考慮以上各種因素，目前比較流行的WINCE、Nucleus實(shí)時(shí)系統(tǒng)等都是比較穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，這個(gè)根據(jù)不同的側(cè)重點(diǎn)來選擇。同時(shí)在應(yīng)用軟件上根據(jù)具體的硬件結(jié)構(gòu)來編寫相關(guān)的BSP包。

一般情況下我們的 軟件應(yīng)該滿足以下的主要功能。整個(gè)系統(tǒng)由五部分組成：

1． 分系統(tǒng)：采用100MHZ高速ARM9處理器，64M內(nèi)存，32M FLASH存儲器。內(nèi)置鋰電池供電系統(tǒng)，可充電，連續(xù)工作10小時(shí)，待機(jī)1周。

2． 通信分系統(tǒng)：包括通信電路、GSM模塊和紅外模塊。支持HCI、L2CAP協(xié)議，可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和UART連接。能夠上網(wǎng)（數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)），收發(fā)電子郵件，進(jìn)行短消息收發(fā)。

3． 定位分系統(tǒng)：采用GIS和衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合的方式，電子地圖能夠進(jìn)行64倍縮放，通過坐標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，地圖可隨觸摸屏拖動(dòng)。

4． 圖像分系統(tǒng)：獲取并處理圖像信息。

5． 軟件分系統(tǒng)：底層軟件平臺為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全套實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)系統(tǒng)（RTOS），包括調(diào)度內(nèi)核（KERNEL）、圖形軟件包（GRAFIX）、文件系統(tǒng)（FILE）以及TCP/IP軟件包等。驅(qū)動(dòng)軟件包括觸摸屏驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、紅外驅(qū)動(dòng)、GSM驅(qū)動(dòng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)以及CCD驅(qū)動(dòng)。上層應(yīng)用軟件有電子地圖、衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用包、電子郵件、數(shù)字圖像處理包、GSM短消息收發(fā)包、記事本、時(shí)鐘、計(jì)算器、通信錄、畫筆等。

3．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

根據(jù)軍用PDA經(jīng)常在惡劣的野外環(huán)境工作。低溫、雨雪、強(qiáng)電磁干擾、機(jī)械沖擊等都對PDA是很大的 考驗(yàn)。這樣我們就要考慮如何保證在這樣的條件下PDA仍然要穩(wěn)定的工作。電路板、連接線、固定螺釘、外殼等都要進(jìn)行特殊的處理。

電路板是電氣部分的主要載體。首先在電路板繪制的過程中就要考慮以上的綜合因素，采用多層電路板結(jié)構(gòu)，表層盡量不走線，這樣就有效的進(jìn)行了EMC保護(hù)。同時(shí)在焊接調(diào)試后的電路板要進(jìn)行三防處理。這樣電路板表面就得到了很好的保護(hù)。

連接線是機(jī)體內(nèi)不可缺少的部分我們在接口處最好進(jìn)行防水處理以及加固處理，這樣就能對機(jī)械沖擊和雨水進(jìn)行抵御。

固定螺釘一定要用防滑緊固螺釘，同時(shí)襯墊要用防滑襯墊。同時(shí)安裝后還要進(jìn)行膠固。這樣處理一般的機(jī)械震動(dòng)不會破壞PDA的緊固關(guān)系。

外殼是對PDA最重要的保護(hù)措施。這里我們采用全鋁合金來制作外殼。這樣的結(jié)構(gòu)改變了塑料外殼無法抵御機(jī)械沖擊的缺點(diǎn)。同時(shí)還提供了很好的EMC保護(hù)。此外他的重量比較輕便于攜帶。

結(jié)構(gòu)上的保護(hù)措施不僅僅局限于這些。通過以上的一些措施基本能夠滿足野外復(fù)雜環(huán)境的保護(hù)需要。

4．結(jié)束語：

隨著科技的不斷發(fā)展，軍用級別的PDA 有著廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)其技術(shù)性能和特點(diǎn)，該P(yáng)DA方案可廣泛應(yīng)用于如下領(lǐng)域：

1、 軍用/警用：因具有GIS系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)系統(tǒng)和靈活的通信方式，能有效地應(yīng)用于單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)指揮系統(tǒng)、巡邏和追捕系統(tǒng)等。

2、 航空：調(diào)度指揮系統(tǒng)

3、 醫(yī)用：機(jī)器人醫(yī)療控制系統(tǒng)

4、 鐵路：調(diào)度指揮系統(tǒng)

5、 工控：消防、電力等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

6、 帶有EMAIL、上網(wǎng)功能的通用PDA