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一种移动电子设备私密通信的外设功能?樯杓

添加时间:2020/06/11 来源:电子科技大学 作者:周俊
本文主要研究实现一种以现有移动电子设备为基础平台,在其原有功能的基础上新增具有私密通信理念的外设功能?。
以下为本篇论文正文:

摘 要

  传统的移动电子设备已经不能满足消费者多样性、个性化的需求。以功耗低、体积小、功能多为标志性特点的便携移动电子设备已融入人们的日常生活。在保证便携移动电子设备功能的基础上使产品更具有便携性和对个人信息的保密性逐渐成为消费者和设计制造者关注的重点。

  半导体行业及制造业的发展促使便携式移动电子设备产业发生了深刻的变化,集多种功能于一体的移动电子设备成为行业的发展的主流方向。便携式移动电子设备的发展主要是内部电气性能、模具设计及用户友好度的发展,其中电气相关的发展更是直接与便携性相关联。器件选型、空间布局等都起着举足轻重的作用。

  私密性通信是近年来兴起的热点领域。人们在满足日常需要的前提下,开始关注对个人隐私的;。具有私密性理念的便携设备随之融入各行各业及日常生活。私密性的;ぐǘ允褂谜咭羝、视频及操作的;。具有常规便携式产品特点又拥有私密通信功能的移动电子设备成为市场追逐的焦点。

  本文主要研究实现一种以现有移动电子设备为基础平台,在其原有功能的基础上新增具有私密通信理念的外设功能?。新增私密性?橐韵牙嗟缱雍鸵贫缱由璞肝靥,能充分体现其设计理念,增加产品的经济效益。本文对所需要的 N810 平台、声频定向?、液晶变视角显示膜?樽隽思虻サ慕樯芎图际醴治,并根据课题的各?楣δ芤蠛拖低车脑て谀勘,制定了切实可行的总体设计方案及各部分的具体技术路径。

  本文对系统各?榈墓δ芎拖低痴逍阅茏隽讼晗傅穆凼。包括硬件平台的设计方案、各接口电路、系统驱动程序及应用程序等。给出了测试的基本环境和测试参数。对本文所做的工作做了总结并对以后的努力方向做了展望。本文所作的工作适用于绝大多数移动电子设备,对移动电子设备模型样机的设计制造提供了基础,具有一定的参考意义和市场利用价值。

  关键词:移动电子设备,私密性,模型样机,电气集成,控制系统

电子电气

ABSTRACT

  Traditional electronics devices can't meet the consumer requests on the persity and inpiduation. The portable mobile electronic devices with the advantages of low power consumption, small size, function and more marked characteristics has entered into people's daily lives. Ensuring the benefits from function of portable mobile electronic devices, consumers and manufacturers focus attention on the product's portability and the confidentiality of personal information.

  The development of semiconductor industry and the manufacturing sector makes that portable mobile electronics industry has changed profoundly, and multi-function mobile electronic devices became to be one of the mainstream directions of the industry. The development of portable mobile electronic devices mainly include improvement of internal electrical properties, mold design and user friendliness, which is related directly with the portability, device selection and layout that plays an important role.

  Private communication is a new focus rising in recent years. Meeting the daily requests of people, the more attentions began to be paid to the protection of personal privacy. Privacy concept has subsequently formed into a portable device industries and daily life. The protection of privacy involves aspects on audio, video and operation. The devices have conventional portable communication function also have a private mobile electronic functions became the focus of the market.

  In this paper, based on the existing platform of mobile electronic devices, we added the peripheral private communication modules to realize the new ideas in private communication on the basis of its original function. The adding privacy module carried consumer electronics and mobile electronic devices, can fully realize their design concepts and increase the product profits. In this paper, we did the simple description and technical analysis to the required N810 platform, Directional Speaker module, and View-angle changeable LCD film module. According to functional requirements and system expectations, we developed design program and specific technical method.

  Also, we did a detailed exposition on the function of each module and integrated system, which includes the hardware platform design, the interface circuit, system driver and application procedures, and giving test environment and test the basic parameters. At the last, we summarize the work and seek the direction to put forward efforts in the future. This work applies to most mobile electronic devices, and provides a foundation to the prototype designing and manufacturing of mobile electronic devices. Furthermore it has certain reference value and the commercial value.

  Keywords: mobile electronic devices, private-communications, model prototyping, electrical integration, control system

目 录

  第一章 引言

  随着科技的进步,人们对电子设备尤其是便携式移动电子设备提出了新的功能要求。激烈的竞争加速了研究开发,个性化的产品层出不穷。本文正是出于探索在高密度环境下集成更多电气功能设计方法的目的,结合课题研究的背景,探讨移动电子设备模型样机的电气集成。

  1.1 课题背景

  以移动电话、PDA 为代表性的便携式移动电子设备已经深入的影响了现代社会。随着科技的进步,消费者对产品各项指标的要求也更高。能成功的设计并制作出一款受消费者喜欢又能创造巨大经济利益的产品已成为商家占领市场的关键。如何能发挥好移动电子设备的功能,充分体现其性能,同时还能延长系统供电时间等技术问题成为移动电子设备的发展方向。

  本课题源自 2008 年 UESTC-NOKIA 国际合作研究课题,研究的目的是探索移动电子设备的模型样机在高密度情况下的电气集成技术与工程实现方法。利用现有的相对成熟的市场产品作为研究开发的基础平台,按照课题要求进行相关功能?榈牡缙缮杓萍笆迪,为新一代移动电子设备的概念设计与样机研制提供有效的技术手段和可靠的实现方法。并在满足功能需求的前提下,尽可能的使模型样机不外辐射、不受干扰、功耗低、体积小,在包括器件选型、PCB 设计、电磁兼容设计、结构设计等方面增强系统可靠性。

  1.2 课题价值及意义

  本课题研究的主要任务是将两个具有私密性功能的?榧捎谙喽猿墒斓囊贫缱由璞钢斩,并以 NOKIA N810 作为系统研究平台,在保持其原有风格及功能的基础上增加这两个功能?,并通过单片机等微处理器实现原系统与功能?榈耐ㄑ逗涂刂,同时为了更好的还原移动电子的运行平台,选择了在 ARM 平台上模拟便携式移动电子设备对新增功能进行开发集成。使该产品具有更强的市场竞争力也更好的解决个人信息安全的问题。本课题的研究涉及到电路设计、软件设计、抗干扰设计、电磁兼容性设计及结构设计等。旨在多约束条件下集成系统功能?,通过实际的设计和实现,论证在移动便携电子设备内高密度电气集成对系统功能的影响。对于移动便携设备的小体积市场化有重要的参考意义。

  在经济全球化、贸易自由化和社会信息化的发展趋势下,现代制造业的相互竞争变得愈演愈烈[1].全球制造业正在全方位广泛而深入的采用现代技术。功耗低、体积小、功能多的移动便携电子设备已成为人们生活的常备品。如何才能使移动便携电子设备在保证功能的前提下缩小体积,已成为人们关注的重点,也成为设计者研究的重点。

  在不断加速技术研究、提高更有市场力的产品功能外,如何以最短的时间、最低的价格、最优的质量、最高的性能和最好的服务已经成了影响未来企业竞争力的、赢得市场和用户的关键所在[2].其实质就是利用现代设计方法来提高产品本身的设计能力。

  在产品制造领域,为了降低前期的开发成本和开发风险,越来越多的公司选择先设计制作模型样机,再批量生产[3].而从成本角度则都不约而同的以手板加工为首选。手板也叫样板,主要是在产品研发、测试,展示、市场开拓等阶段过程中,产品未正式定型和未有正式定单前所做的样品或样机、样件、模型等[4].它对产品研发的修正、周期的缩短、成本的降低、风险的回避、市场的开拓等有着不可缺少的重要辅助作用[5-6].

  为了能有效的降低开发成本,保证产品在市场上的稳定性,对于一款产品的设计往往要经历方案设计、功能设计、样机设计、样机试制、批量生产的这样一个过程[7].其中在样机设计和样机试制的环节往往要反复循环多次才能有理想的模型样机。对于成熟的企业,只会在模型样机试制成功,各项指标都达到要求后才会批量生产成品机。因此模型样机成了举足轻重的环节。好的模型样机设计能为产品开发带来极大的经济利益。同时,由于模型样机具有预研性质,对于开发者而言,不用过多的考虑样机设计失败所带来的后果。能处于放松的状态进行相关的设计试制工作,从开发者的角度也节约了生产力。模型样机的设计可以是实体的,比如样机外壳、样机结构甚至是硬件电气功能。也可以是虚拟,采用虚拟装配技术,将实物做全比例的仿真,各类仿真平台也为虚拟设计提供了优秀的平台基础。设计人员可以根据产品的具体要求,通过一系列的模拟,并通过反复的修改和测试,最终使产品性能达到最优。模型样机设计的实现和发展,在很大程度上有助于整个制造业的产品设计水平和性能,对制造业的发展具有指导意义[8].

  1.3 课题国内外研究现状

  早在上个世纪八十年代,制造业就发生了根本性的变革,以前由卖方、生产商决定的市场转变成了由消费者决定市场的趋势。制造商不得不根据用户体验设计产品,才能从根本上满足消费者对产品质量、性价比及种类的需求。个性化、多样化的产品成为消费者追逐的目标,这无形中提高了对产品设计的要求。设计环节决定整个产品的优劣。通过设计模型样机甚至是少量的体验样机,针对样机做反复修改,从而完整的实现预期功能?梢杂行Э刂瞥杀、质量及其他不定因素。缩短开发时间、降低开发风险。

  自上世纪末期开始,国内外就有机构开始对私密通讯移动电子设备的研究。

  通过建立人机交互环境,从视觉和听觉上实现;9-13].私密性通讯设备主要体现在人机交互上,利用高敏感 CCD 采集图像[14-15]、多相位阵列麦克风[16-17]、投影键盘[18]等改变信息输入方式,从而达到对私密性的;。

  消费类电子产品在不同时期不同国家有着完全不同的内涵,移动电子设备作为功能集成的先驱,是到目前为止,将功能整合得最完善的消费类电子产品。移动电子设备的发展更多的是设备内部电子元器件的发展,伴随着移动电子设备的快速普及,体积小、功耗低、性能全的芯片成为了发展目标。中国由于接续着全球产业链的转移,成为了最大的芯片消费国。欧美、日韩等 IC 公司占据的高端市场绝大多数的份额,国内公司则在中低市场打拼,产品难以跟上现代技术发展的节奏。由于移动电子设备的广泛应用,未来极具成长性的市场前景为学术界和工业界提供了发展机遇。国家在最新一期的五年规划中,将关键芯片、专用芯片的研究再次提高战略规划的技术创新重点。

  1.4 课题研究任务

  本文主要阐述了基于 NOKIA N810 为基础平台的移动电子设备模型样机的电气集成。对以原型机为平台的系统整体架构设计、芯片器件选型、硬件电路设计、软件设计、操作系统移植、设备驱动程序、电磁兼容性及相关应用程序等进行了较为详细的描述。从设计、实施、调试多个步骤对开发过程进行了论述。

  课题前期进行了深入的文献调研和背景分析,针对课题的背景、来源,分析了移动电子设备模型样机在目前的状况以及未来的发展趋势。通过对课题任务的分析,明确了课题所需要完成的主要内容,确定了课题的基本设计实施方案。提出了基于硬件平台的移动电子设备模型样机设计方案。并针对所要增加的两个功能?樽隽思虻サ慕樯。以?榛乃枷,提出了基于硬件结构设计方案。不仅在 N810 平台上增添了新的功能?榍缏坊菇岷弦贫缱由璞傅挠布氐,搭建了以 ARM 处理器为核心的嵌入式硬件平台,模拟移动电子设备上新增功能?榈挠τ锰峁┯布教。以硬件平台为基础,设计了在单片机平台上运行的相关程序、搭建了在 ARM 平台上稳定运行的操作系统并修改移植了引导程序、驱动程序和应用程序,完成对 N810 的部分通讯和人机交互界面的修改。并根据电磁兼容原理及相关标准,详细论述了移动电子设备电磁干扰的产生、传播以及对电子设备所造成的影响。对如何抑制电磁干扰,增强设备的电磁兼容性做了深入分析,提出了具体的抑制措施,就移动电子设备模型样机 PCB 的抗干扰设计及注意事项做了论述。

  最后对课题研究所做的工作做了总结,给出了各功能?榈男阅懿馐圆问副昙安馐允。总结了整个课题研究成果,以及本论文的主要工作,提出了本论文的意义所在,同时指出系统的不足及以后的努力方向。






  第二章 基于便携式私密通信设备的总体设计
  2.1 私密性功能?榧蚪
  2.1.1 声频定向功能?
  2.1.2 变视角显示膜功能?
  2.2 模型样机平台
  2.2.1 基于 UMPC 的方案
  2.2.2 基于 N810 的方案
  2.2.3 各平台方案比较

  2.3 模型样机设计任务与需求
  2.3.1 模型样机硬件设计要求
  2.3.2 模型样机软件设计要求
  2.4 系统方案
  2.5 本章小结

  第三章 模型样机硬件系统设计
  3.1 模型样机控制系统
  3.1.1 8051 单片机的概述
  3.1.2 模型样机控制系统原理
  3.1.3 单片机控制?橛布杓
  3.2 以 ARM 为核心的模型样机控制系统
  3.2.1 ARM 概述
  3.2.2 ARM 控制系统原理
  3.2.3 ARM 控制系统硬件设计

  3.3 模型样机电源管理
  3.3.1 双电源管理
  3.3.2 系统供电?
  3.3.3 声频定向扬声器驱动电路
  3.3.4 变视角显示膜驱动电路
  3.4 本章小结

  第四章 模型样机软件系统设计
  4.1 单片机控制系统
  4.1.1 初始化系统
  4.1.2 系统中断服务子程序
  4.2 ARM 控制系统
  4.2.1 Linux 操作系统移植
  4.2.2 系统驱动设计

  4.3 基于 N810 平台的软件设计
  4.3.1 重定义模型样机显示区域
  4.3.2 模型样机的人机界面设计
  4.3.3 N810 与单片机的通讯
  4.4 本章小结

  第五章 模型样机电磁兼容设计
  5.1 模型样机电磁兼容设计的相关标准
  5.2 电磁干扰的产生和传播方式
  5.2.1 电磁环境的组成
  5.2.2 模型样机的电磁干扰传导

  5.3 模型样机的电磁干扰抑制方式
  5.3.1 对干扰源的抑制
  5.3.2 改善地线系统
  5.3.3 增强屏蔽技术
  5.3.4 滤波技术

  5.4 模型样机板级电磁干扰控制
  5.4.1 模型样机板级电路设计
  5.4.2 模型样机 PCB 设计
  5.5 本章小结

  第六章 模型样机系统测试
  6.1 功能?椴馐
  6.1.1 ?楣ぷ髦甘
  6.1.2 双电源供电
  6.1.3 DC/DC 转换
  6.1.4 周期信号测试
  6.2 模型样机联调
  6.3 本章小结

第七章 结论与展望

  移动电子设备模型样机的设计经历多次方案的修改和多种不确定因素的论证。在诸多的方案细节和技术细节上都出现过难题,众多问题都得以解决。在几乎苛刻的硬件体积要求下,本文主要完成了以下工作:

 、 基于单片机为核心的控制系统硬件电路设计;② 基于 ARM 为控制核心的控制系统及周边外设的硬件电路设计;③ 多种电源输出方式的电源管理硬件电路设计;④ 单片机平台上的相关软件设计;⑤ Linux 系统移植及驱动程序设计;⑥ 对 N810 样机的人机界面及部分通讯功能的修改;⑦ 对个?楣δ芗跋低彻δ芙胁馐。

  在以上工作的基础上,对移动电子设备模型样机的设计有了较为深入的了解。

  实现了课题预期的相关目标。该样机在硬件上实现了通过下层单片机对外设的协调控制、配合新增功能?榈娜嘶缑嫘薷,用户能直观准确的获取新增?榈墓δ茏刺。在设计思想采用?榛慕峁狗绞,不管是硬件?榛故侨砑?榫哂薪细叩亩懒⑿,各?榭梢苑奖愕囊浦仓疗渌教。对以后同类样机的开发设计具有一定的借鉴意义。

  虽然,本文针对移动电子设备样机做了一些工作,但还有很多的不足之处。

  也是今后努力和发展的方向。

 、 双电源?樵诠┑缡倍宰陨淼募嗖饪梢宰既返呐卸系绯厥倜,同时均摊各电池组负载,使系统能有更长的工作时间;② 在 DC/DC 转换?樯,选择与移动电子设备功能更匹配的专业转换?,从根本上解决功耗、纹波及体积等各参数指标的要求;③ 合理的优化系统各软件代码,使系统能有更快的效应速度,节省更多的资源。

致谢

  七年的电子科大生活一晃而过,在即将告别母校之时,籍此机会向那些曾经关心和帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。

  本文是在我的导师杨平教授的悉心指导和帮助下完成的。从论文的选题、设计到最后完成,杨平教授都付出了极大的心血。期间杨平教授不仅在技术理论上给予了关键性的方向引导,而且在实践中给予了耐心分析和帮助。杨平教授高瞻远瞩的学识、严谨的治学精神、实事求是的研究作风,对新事物的敏锐力都给我留下了深刻的影响,使我终身受益。在此,谨向杨平教授致以深深的敬意与诚挚的感谢!同时感谢王丛岭、石明全、苗强老师在整个过程中给予的无私帮助,向他们表示由衷的感谢!

  非常感谢机电驱动及控制研究室的单联柱等全体同学在我完成课题以及学习和生活中给予的大力帮助和支持,三年来与他们一起交流和学习,获益匪浅。在此向他们表示由衷的感谢!

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