一種野外便攜式PAD的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嚴(yán)緯華　莊東曙　丁寧

摘 要 本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款適用野外便攜使用的PM760平板電腦。該款平板電腦具有較高的實(shí)用性和安全性，包括支持3G/4G無(wú)線通信、無(wú)線Wifi、百兆以太網(wǎng)，支持北斗/GPS定位功能，具有符合IP54標(biāo)準(zhǔn)的防塵防雨淋和防振抗跌落的三防特點(diǎn)。針對(duì)關(guān)機(jī)待機(jī)功耗問題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種待機(jī)微功耗電路，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)“零”功耗（毫瓦級(jí)）功能。

關(guān)鍵詞 PAD;三防;低功耗

引言

相比于傳統(tǒng)筆記本電腦，平板電腦的體積小、重量輕、功耗低，支持多模態(tài)輸入，并且具有較好的人機(jī)交互界面，更適合野外工礦條件下使用。在野外環(huán)境下，平板電腦可以在線同時(shí)操作多個(gè)便攜、移動(dòng)應(yīng)用，包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、移動(dòng)數(shù)據(jù)交互、多種設(shè)備監(jiān)測(cè)、中心測(cè)控調(diào)度、精確導(dǎo)航定位及實(shí)時(shí)通信功能[1]。

目前市面上的大多數(shù)平板電腦不具備無(wú)線漫游通信功能，且僅適用于家庭娛樂和普通環(huán)境辦公，一旦離開固定的使用場(chǎng)所，則難以使用其通信功能。此外，在一些特殊環(huán)境條件下，例如室外雨天、地震災(zāi)區(qū)、煤坑礦井等，普通平板電腦的三防標(biāo)準(zhǔn)很難滿足上述的作業(yè)環(huán)境。文獻(xiàn)[2]介紹了一款無(wú)風(fēng)扇、工業(yè)級(jí)平板電腦PPC-L62T，其工作溫度范圍、機(jī)身防水、防塵、抗震、抗沖擊的效果也出類拔萃，缺點(diǎn)是不具備漫游通信功能。文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于安卓開發(fā)的專用平板電腦設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該款專用平板電腦僅支持3G信號(hào)，漫游移動(dòng)通信速率較低。因此，開發(fā)一種能隨時(shí)隨地進(jìn)行信息交流和信息處理，并且滿足野外便攜使用的工業(yè)化平板電腦（即PAD）顯得尤其迫切。

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款三防加固型PAD終端，其具有3G/4G移動(dòng)通信功能，支持無(wú)線WI-FI、USB2.0和百兆以太網(wǎng)通信，具有北斗/GPS定位功能，設(shè)備支持Windows操作系統(tǒng)及應(yīng)用，符合IP54標(biāo)準(zhǔn)，適合野外等特殊工礦條件下使用。

1整體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

本文介紹的野外便攜式PAD，具有3G/4G移動(dòng)通信功能，支持終端到中心的C/S典型系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用。本案的PAD通過無(wú)線WI-FI、USB2.0和百兆以太網(wǎng)通信等通信方式，可以連接各類傳感器，具有將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息及媒體處理數(shù)據(jù)通過廣域網(wǎng)發(fā)送給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器通過數(shù)據(jù)分析對(duì)各個(gè)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度。各終端以及中心服務(wù)器通過3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

1.2 設(shè)備組成

PM760平板電腦（PAD）為一款野外便攜電腦，外觀圖如圖1所示。其外部附件包括：充電適配器、 USB（航聯(lián)）用戶數(shù)據(jù)線、LAN（航聯(lián)）用戶數(shù)據(jù)線。

平板電腦（PAD），由ATOM N455核心處理模塊、電路主板、3G/4G無(wú)線通信模塊、北斗/GPS定位模塊、Zigbee無(wú)線模塊、Wifi無(wú)線模塊、充電管理電路、鋰電池組，以及10英寸TFT電容式觸摸顯示屏組成。平板電腦（PAD）的電路組成框圖如圖2。

平板電腦（PAD）的整機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)，主要是：尺寸：29cm*20.9cm*2.8cm;主板：SOM-7562 B1;存儲(chǔ)：60GB SSD;顯示分辨率：1280*800 ;無(wú)線通信：3G/4G;局域網(wǎng)：802.11b/g/n;Zigbee。

北斗/GPS頻段：北斗：B1 1561.098MHZ;GPS ：L1 1575.42MHZ 。

北斗/GPS靈敏度：-160dbm@跟蹤;-145dbm@捕獲 ? ? ? ? ? ? ? 運(yùn)行溫度：-10℃-+55℃。

定位精度：2.5m;以太網(wǎng)口：10/100M bps;USB 接口：USB 2.0。

電池容量：14.8V/4AH;整機(jī)功耗：20W;續(xù)航時(shí)間：3h。

1.3 核心板

本文選用研華公司設(shè)計(jì)開發(fā)的SOM-7562 B1核心板作平板電腦的主板。SOM-7562核心板采用英特爾N455凌動(dòng)處理器，最高運(yùn)行速度達(dá)到1.66GHz。該款核心板支持Windows操作系統(tǒng)，具有高性能、低功耗、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

2主要技術(shù)特點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的野外便攜式PAD主要技術(shù)特點(diǎn)包括：集成多種無(wú)線通信體制、三防一體化工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電源管理設(shè)計(jì)。

2.1 多模無(wú)線通信方式

主要有：3G/4G 無(wú)線通信;北斗/GPS接收;Zigbee無(wú)線自組網(wǎng);WI-FI無(wú)線局域網(wǎng)。

本文設(shè)計(jì)的PAD集成上述多種無(wú)線通信體制，并且采用內(nèi)置天線，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，但是內(nèi)部諸多無(wú)線通信子系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，存在互相影響、互相干擾的問題。因此采取多模天線CAD 預(yù)仿真及效率評(píng)估，優(yōu)化布局及優(yōu)化天線參數(shù)設(shè)計(jì)，并在硬件電路設(shè)計(jì)中采用模塊分割及模塊屏蔽措施，以及電路采用抗EMI設(shè)計(jì)措施，使其多模兼容工作時(shí)達(dá)到互相影響最小，即解決多模融合下的電磁兼容性問題。

2.2 三防一體化工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電子產(chǎn)品趨向集成化的發(fā)展，使得產(chǎn)品精度和可靠性的重要性越來(lái)越大。國(guó)外研究表明，近五成的電子儀器設(shè)備運(yùn)行不良是環(huán)境因素造成了，如濕度、溫度和振動(dòng)三個(gè)因素導(dǎo)致電子設(shè)備運(yùn)行不良高達(dá)43.58%[4]。因此，電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)十分重要。本文在設(shè)計(jì)PM760平板電腦時(shí)，主要考慮到防塵、防雨淋和抗震防跌落的三防特點(diǎn)。

（1）防雨淋防塵設(shè)計(jì)：設(shè)備的外接口，全部采用防水型航空連接器，使得設(shè)備與外部的連接接口實(shí)現(xiàn)防水功能。設(shè)備外殼的合攏面使用橡膠墊圈，其形狀類似于“O”形，優(yōu)點(diǎn)是使用螺絲固定后，對(duì)接面可以形成密封圈。此外，音頻接口添加防水膜層，該防水膜層具有透氣不透水的功能，這樣就具有阻隔水分子的通過且能傳播聲音的效果。

（2）防跌落抗震設(shè)計(jì)：防水航空連接器具有互鎖功能，防止設(shè)備受到震動(dòng)時(shí)連接器脫落，提高連接可靠性。設(shè)備外殼的四個(gè)角添加橡膠保護(hù)墊，防止跌落時(shí)損壞。