嵌入式系統在軍用PDA中的設計與實現

2019-11-03 09:18:56

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譚勇，北京旋極信息技術有限公司
　　1．引言：

　　隨著現代戰爭的信息化和電子化，功能多樣而又精巧實用的掌上型智能設備（軍用PDA）日益受到軍方的重視。由于軍用PDA需要將衛星定位、無線通信、圖像攝取傳送等等功能集于一體，對于高科技戰爭中各作戰個體至關重要，國外一些國家早已從事相關技術的研究和開發，并將此類產品裝備到特定的作戰場合。軍用PDA產品根據不同的應用場合有不同的功能要求，涉及多種當前最先進的技術，如嵌入式CPU應用、多任務操作系統RTOS、GIS應用、衛星定位系統定位、無線通信、藍牙技術、CCD技術、圖像處理技術等。本文結合一款通用的32位CPU來闡述軍用PDA的構成以及實現方法。

　　2．硬件實現：

　　根據現代軍隊的高科技作戰的特點，我們為軍隊而設計的PDA就應該符合軍事的特殊要求。首先在功能上應該具有實時性強、穩定的定位功能、清晰的圖像處理傳輸、無線通訊等。這樣我們的硬件構成也就基本確定。

　　2．1．CPU簡介：

　　CPU作為PDA產品的控制核心，應具備低功耗、超低溫、支持LCD驅動等功能。SHARP LH7A400是一款以ARM9為內核的嵌入式處理器。它是一個高集成的32位的ARM922T RISC精簡指令集的處理器核。它恰當的提供了很多I/O功能，配合很少量的外圍邏輯就可以集成一個小型計算機系統。以下簡要介紹處理器的主要特征：

　　 ·三個串行口、同步串行口（SSP）、一個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個通用可編程口

　　·JTAG 編程接口

　　· 三個串口

　　·實時時鐘

　　·看門狗時鐘

　　2．2．電源規劃：

　　軍用PDA的使用環境有相當的一部分是在野外，而野外的工作環境是無法對PDA 設備進行經常性的充電，但是我們的外設又非常的多，電流消耗又非常的大。這樣就存在了一個很突出的矛盾。因此在電路設計中我們要對其進行十分細致的規劃。

　　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，把每一個電源消耗環節盡量的進行細分已達到能都獨立供電或組合供電來控制設備的啟用和停止。再次對大電流設備我們要進行獨立供電。我們不僅僅要保證系統的穩定電源需求，同時也要保證例如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時的電源沖擊問題，如果不給予足夠的認識就會造成系統的不穩定甚至于死機。

　　2．3．CCD接口：

　　CCD圖像技術可用于特定的場合，如偵察、探測等，借助軍用PDA的存儲、處理和傳輸功能來達到相應的軍事目的。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。同時為了系統的實時要求我們還要添加一片FIFO來對圖像數據進行緩存以免數據的丟失。

　　2．4．USB通訊接口：

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

　　2．5．衛星定位系統定位系統：

　　衛星定位系統(GPS)是PDA的一個十分重要的基礎部分，在戰爭中的作用已是有目共睹的。除導彈的制導等功能外，在軍用PDA產品中，配合軍用地圖，衛星定位系統技術能夠讓各作戰個體精確地確定自己的位置，為特殊地形下的部隊集結或特定目的的行進提供保證。

　　GIS（地理信息系統）作為軍用PDA的重要應用，通常是將特定的軍用電子地圖嵌入到PDA中，并能夠縮放、旋轉和拖動，能夠以此為平臺隨時標識作戰個體的精確地理位置。

　　為了實現模塊化的設計思想，我們可以采用衛星定位系統模塊來代替分離元件集成設計的方式。通過特定的串行通訊口就簡單的實現了模塊與CPU的通訊。

　　2．6．無線通訊：

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

　　2．7．紅外接口：

　　紅外串行通訊接口是短距離通訊常用的方式，因其方便實用所以絕大多數的掌中設備都有紅外接口。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行電氣連接就可以實現紅外數據的發送接收。

　　3．軟件實現：

　　因為在野外情況記錄的數據往往都是不可重復記錄的，因此我們在軟件方面要充分考慮到數據備份的重要性。同時系統要保持很高的穩定性，必須具備死機后自動重啟等多種自我保護功能。圍繞CPU必須有一層操作系統及文件系統、圖形系統等，還需要有相應的網絡軟件協議來處理通信。在此基礎上來構筑上層應用軟件。

　　因此我們選用操作系統的時候要考慮以上各種因素，目前比較流行的WINCE、Nucleus實時系統等都是比較穩定的操作系統，這個根據不同的側重點來選擇。同時在應用軟件上根據具體的硬件結構來編寫相關的BSP包。

　　一般情況下我們的軟件應該滿足以下的主要功能。整個系統由五部分組成：

　　1．分系統：采用100MHZ高速ARM9處理器，64M內存，32M Flash存儲器。內置鋰電池供電系統，可充電，連續工作10小時，待機1周。

　　2．通信分系統：包括通信電路、GSM模塊和紅外模塊。支持HCI、L2CAP協議，可進行數據收發和UART連接。能夠上網（數據業務），收發電子郵件，進行短消息收發。

　　3．定位分系統：采用GIS和衛星定位系統結合的方式，電子地圖能夠進行64倍縮放，通過坐標進行定位跟蹤，地圖可隨觸摸屏拖動。

　　4．圖像分系統：獲取并處理圖像信息。

　　5．軟件分系統：底層軟件平臺為具有自主知識產權的全套實時多任務操作系統系統（RTOS），包括調度內核（KERNEL）、圖形軟件包（GRAFIX）、文件系統（FILE）以及TCP/ip軟件包等。驅動軟件包括觸摸屏驅動、鍵盤驅動、串口驅動、紅外驅動、GSM驅動、衛星定位系統驅動以及CCD驅動。上層應用軟件有電子地圖、衛星定位系統應用包、電子郵件、數字圖像處理包、GSM短消息收發包、記事本、時鐘、計算器、通信錄、畫筆等。

　　4．結構設計：

　　根據軍用PDA經常在惡劣的野外環境工作。低溫、雨雪、強電磁干擾、機械沖擊等都對PDA是很大的考驗。這樣我們就要考慮如何保證在這樣的條件下PDA仍然要穩定的工作。電路板、連接線、固定螺釘、外殼等都要進行特殊的處理。

　　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，采用多層電路板結構，表層盡量不走線，這樣就有效的進行了EMC保護。同時在焊接調試后的電路板要進行三防處理。這樣電路板表面就得到了很好的保護。

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

　　固定螺釘一定要用防滑緊固螺釘，同時襯墊要用防滑襯墊。同時安裝后還要進行膠固。這樣處理一般的機械震動不會破壞PDA的緊固關系。

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

　　結構上的保護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雜環境的保護需要。

　　5．結束語：

　　隨著科技的不斷發展，軍用級別的PDA 有著廣闊的發展前景。根據其技術性能和特點，該PDA方案可廣泛應用于如下領域：

　　1、軍用/警用：因具有GIS系統、衛星定位系統系統和靈活的通信方式，能有效地應用于單兵作戰系統、聯絡指揮系統、巡邏和追捕系統等。

　　2、航空：調度指揮系統

　　3、醫用：機器人醫療控制系統

　　4、鐵路：調度指揮系統

　　5、工控：消防、電力等數據采集系統

　　6、帶有EMAIL、上網功能的通用PDA------------------------------------------------------------------------------------------

　　參考文獻：

　　1．tec_users_guide_lh7a400.pdf

　　2．tec_datasheet_lh7a400.pdf

　　3．ARM Architecture Reference Manual

　　4．LH7A400處理器嵌入式開發板硬件用戶手冊（北京旋極信息技術有限公司）

　　5．軍用PDA系統方案介紹（北京旋極信息技術有限公司）

摘自《電子設計技術》

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