嵌入式系統(tǒng)在軍用PDA中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 1．引言：  

       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(duì)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。  

       2．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。      

         2．1．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：   

         2．2．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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)就會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至于死機(jī)。

          圖1                                                                

2．3．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(chǔ)、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(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存以免數(shù)據(jù)的丟失。

              圖2                                                          

       2．4．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(chǔ)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(duì)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。       [!--empirenews.page--]

       2．5．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(tái)隨時(shí)標(biāo)識(shí)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。

        圖3                                                             

       2．6．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(jí)別的GSM模塊以滿足特定需求。

   圖4                                                   

       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(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。

       圖5                                                             

       3．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?cè)谲浖矫嬉浞挚紤]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(chǔ)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。   [!--empirenews.page--]

       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(tái)為具有自主知識(shí)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。  

       4．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(duì)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?cè)诮涌谔幾詈眠M(jìn)行防水處理以及加固處理,這樣就能對(duì)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(huì)破壞PDA的緊固關(guān)系。  

       外殼是對(duì)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。  

       5．結(jié)束語：  

       隨著科技的不斷發(fā)展,軍用級(jí)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。