ABSTRACTthem,thenpresentsomelayoutrules.Inthispaperwefinallydebugcircuitsaloneandthroughintegratingsoftwareandhardware,andtestpowerdissipationoftheprototypesystem.Accordingtothesedebugs,itisprovedthatthecircuitsdesigningforforearmwearablecomputeriscorrectandthehardwaresystembasicallysatisfiesthedemandsproposingbefore.Thisthesiscanlayabasisfortheresearchanddesignonaminiatureandlowpowerforearmwearablecomputer.Italsocanofferthereferencesfordesignideaandimplementationschemewhenstudyinganddesigningwearablecomputerinotherapplicationareas.Keywords:ForearmWearableComputer,Logistics,PXA270,High-speedBoardDesign,Cadence目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論 1\o"CurrentDocument"課題的研究背景及意義 1\o"CurrentDocument"可穿戴計算機及研究現狀 2\o"CurrentDocument"可穿戴計算機的特征 2\o"CurrentDocument"可穿戴計算機的研究現狀 3\o"CurrentDocument"可穿戴計算機的應用 5\o"CurrentDocument"物流信息處理現狀 6\o"CurrentDocument"主要研究內容 6\o"CurrentDocument"第二章總體設計方案研究 8\o"CurrentDocument"系統設計流程 8\o"CurrentDocument"系統需求分析 9\o"CurrentDocument"功能需求分析 9\o"CurrentDocument"非功能需求分析 10\o"CurrentDocument"系統架構的選擇 11\o"CurrentDocument"嵌入式系統簡介 12\o"CurrentDocument"技術方案分析與確定 13\o"CurrentDocument"處理器選型 13\o"CurrentDocument"功能方案確定 17\o"CurrentDocument"系統硬件平臺結構 19\o"CurrentDocument"本章小結 21\o"CurrentDocument"第三章臂式機的硬件電路設計 22\o"CurrentDocument"硬件設計要求 22\o"CurrentDocument"CPU核心電路設計 22IVTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"時鐘電路 22\o"CurrentDocument"復位電路 23\o"CurrentDocument"JTAG接口電路 24\o"CurrentDocument"電源模塊電路設計 24\o"CurrentDocument"存儲模塊電路設計 26\o"CurrentDocument"SDRAM接口電路 26\o"CurrentDocument"FLASH接口電路 27\o"CurrentDocument"SD卡接口電路 28\o"CurrentDocument"人機交互模塊電路設計 29\o"CurrentDocument"LCD顯示電路 29\o"CurrentDocument"觸摸屏接口電路 30\o"CurrentDocument"鍵盤電路 31\o"CurrentDocument"音頻接口電路 32\o"CurrentDocument"網絡通信模塊電路設計 33\o"CurrentDocument"以太網接口電路 33\o"CurrentDocument"藍牙模塊接口電路 34\o"CurrentDocument"數據采集模塊電路設計 36\o"CurrentDocument"RFID技術概述 36\o"CurrentDocument"模塊接口電路 37\o"CurrentDocument"擴展接口電路設計 38\o"CurrentDocument"USB主從接口電路 38\o"CurrentDocument"RS232串口電路 39\o"CurrentDocument"本章小結 40\o"CurrentDocument"臂式機主板的PCB設計 41\o"CurrentDocument"髙速電路板設計基礎 41\o"CurrentDocument"信號完整性設計 41\o"CurrentDocument"電磁兼容性設計 44\o"CurrentDocument"電源完整性設計 45\o"CurrentDocument"硬件系統主板的PCB設計 46\o"CurrentDocument"基于Cadence的PCB設計過程 46\o"CurrentDocument"PCB設計的要點分析 47疊層設計 48布局 48布線 50\o"CurrentDocument"PCB布線仿真分析 52\o"CurrentDocument"PCB圖的實現 59\o"CurrentDocument"本章小結 60\o"CurrentDocument"第五章硬件系統的調試與測試 61\o"CurrentDocument"電路板檢測與實現 61\o"CurrentDocument"調試環境 61\o"CurrentDocument"系統調試方案 62\o"CurrentDocument"硬件電路調試方案 62\o"CurrentDocument"軟硬件集成調試方案 64JTAG接口及FLASH電路 6453.2.2Bootloader啟動過程中的電路測試 645.3.23Linux內核啟動過程中的電路測試 6553.2.4其他功能電路 65\o"CurrentDocument"系統調試結果 65\o"CurrentDocument"電源及復位電路 65\o"CurrentDocument"其他電路 66\o"CurrentDocument"LCD驅動電路調試 68\o"CurrentDocument"系統功耗初步測試 70\o"CurrentDocument"本章小結 71\o"CurrentDocument"第六章總結與展望 72\o"CurrentDocument"致謝 74\o"CurrentDocument"參考文獻 75附錄一部分電路原理圖 7778攻碩期間的研究成果78第一章緒論課題的研究背景及意義近些年來,隨著微電子技術、計算機技術及其他相關技術日益成熟和廣泛應用,可穿戴計算機作為計算機領域中新的發展方向出現在人們的視野中。可穿戴計算機是ー種具有全新概念的、微型的、可穿戴的移動計算機系統,實現了一種“以人為本”的人機交互方式,人能夠以ー種更自然、更方便的方式攜帶和使用計算機⑴?？纱┐饔嬎銠C已經成功應用于エ業、軍事、航天航空等領域,在醫疔、物流倉儲等領域也有著廣泛的應用前景。目前,物流已經成為企業在市場中獲取和保持競爭優勢的有力手段,對經濟發展和人們生活產生著重大的影響。物流的基本功能活動有倉儲、保管、包裝、裝卸、配送、信息管理等,其中倉儲是物流系統中重要組成部分,現代物流的倉儲功能已發展到具有擔負物資的接收、分類、包裝、分揀、配送、存儲、盤點等多種功能。因此最大程度上挖掘倉儲管理的工作效率，可以提髙物流的整體效率,進而提髙企業的市場競爭力。然而保證和提髙工作效率的關鍵是工作人員能夠方便快捷且安全地執行現場作業任務。在信息技術普遍存在的現代物流倉儲作業現場,工作人員使用手持式數據終端進行貨物信息的采集處理,進行倉庫中的各種功能活動。在現場作業中,ー些任務,如裝貨、撿貨、小型貨物的搬運、大型包裹的拆分及清點整理貨物等,除了需要實時的信息采集處理以外，還需要工作人員的身體カ行;同時為了保證工作的安全性,還需要集中操作者的注意力。這種情況下,手持終端設備的使用存在著以下不足:(1)占用雙手及大部分注意力。工作人員手持終端進行作業時,無法騰出雙手執行必要的手工任務,并且必須將全部注意力集中到終端操作中。(2)無法隨時隨地持續使用。工作人員執行手工任務時,必須將其擱置或關閉，完全脫離計算系統;完成任務后オ重新使用手持終端進行信息的處理。(3)長時間的使用容易引起手腕、手臂的疲勞。這些問題的存在會影響甚至減弱工作人員的作業能力，進而降低工作效率，并且安全得不到保證。因此,我們需要尋求新的解決方案。可穿戴計算機具有穿戴性、移動性及持續工作性等特點,非常適合需要雙手和注意力參與的作業現場。配備可穿戴計算機,工作人員能夠解放雙手,將注意カ轉移到手頭的工作中,同時結合可穿戴計算機的隨時隨地可用性,增強了使用者的工作能力，從而提髙了現場作業效率。根據穿戴位置的不同，可穿戴計算機具有不同的穿戴方式,如腰別式、鞋式、頭盔式、臂式以及背包式等,根據使用場合和用途不同，對可穿戴計算機的穿戴方式要求不同⑴。在物流應用中,需要一個相對簡潔的可穿戴硬件平臺，可以使身體減少復雜的纜線束縛,更加自由,在繁瑣工作現場能夠方便用戶使用和隨時査看。相關可穿戴性研究資料表明,人的手臂是具有較好的穿戴性和負重能力,并且前臂與上臂相比,能夠方便査看操作⑶?；诖?本課題提出了將可穿戴計算機應用于物流倉儲作業現場,采用臂式的穿戴方式,主要用于采集、傳輸及處理貨物的數據信息,及時與主機系統進行交流,彌補數據采集終端在使用上的不足，增強使用者的工作能力,從而有效地提髙工作效率。目前,國內外對此方面的研究還很薄弱,而且現已研制出的可穿戴計算機樣機和產品大多數采用的是對傳統的計算機體系結構的ー種移植,這就導致功能與性能的不適合,無法滿足在物流應用中的特殊功能要求。因此,本文拋棄傳統可穿戴計算機的設計方法和穿戴形式,將嵌入式系統技術與可穿戴技術相結合,對物流應用中的臂式可穿戴計算機的硬件技術進行深入研究,設計符合應用需求的硬件平臺。該硬件平臺滿足物流倉庫工作現場的需求,具有適合臂式穿戴、便于操作的能力;適當地增添裁剪并集成相應的軟件系統后，臂式可穿戴計算機還可用于其他應用領域,實現現場的數據實時捕獲采集、信息查詢及處理等,如反恐防暴、野外勘査等事故突發現場?？纱┐饔嬎銠C及研究現狀可穿戴計算機的特征目前對可穿戴計算機(WearableComputer)并無明確且規范的定義,一般通過描述可穿戴計算機的屬性和特征來定義它。結合SteveMann、ThadStamer等研究學者對可穿戴計算機屬性的描述，根據BassL對可穿戴計算機的建議，可穿戴式計算機應具備以下六個特征⑴⑶：(1)可穿戴計算機可在運動狀態下使用?！?)可解放雙手,或幾乎解放雙手。用戶在使用可穿戴計算機時可以騰岀雙手做其他事情。￠3)與穿戴者融為一體?？纱┐饔嬎銠C不應只是穿在身上,而應該成為衣物的一部分。(4)可控制性。穿戴者應該能夠完全支配控制可穿戴計算機?！?)具有可持續工作性?？纱┐饔嬎銠C必須能夠持續工作,通過多通道傳感器不斷從外界環境獲取信息,這是與其它移動計算設備的根本區別之一.(6)多樣性。不同用途的可穿戴計算機應該具有不同的構成結構、不同的功能以及不同的使用方法等。從中可以體現出可穿戴計算機是ー種具有新型概念的移動計算系統,從體系結構、功能、穿戴形態、人機交互方式和用途,以及設計和開發方法等諸多方面都與現有的移動計算設備和傳統的桌面計算系統不同。它的可穿戴性(wearability)■.移動性(mobility)x持續性(constancy)和自然交互性(如contextaware和hands一行ee)等獨特優勢,為用戶提供了一種無時無處不在的人機交互方式,既增強了用戶的智能和感知能力,也創造了人機之間親密的共生關系?？纱┐饔嬎銠C的研究現狀自上世紀九十年代,可穿戴計算機開始受到多方關注,對它的研制及相關研究也逐漸升溫,并取得了許多研究成果網。國外有許多科研院所對可穿戴計算機展開了研究,如麻省理工大學(MIT)、(CMU)、蘇黎世大學(ZTH)等。CMU對可穿戴計算機進行了較為系統的研究,陸續研制了VuMan系列、Navigator系列、TIA-P、MoCCA、Spot等多款穿戴計算機,成功應用于導航、機械維修、語言翻譯、教學等方面⑶。MIT在軟硬件設計、體系結構、可穿戴性及其應用等各個分支領域進行了深入的研究工作,并設計了具有代表性的可穿戴計算機系統MIThrilh蘇黎世大學對可穿戴計算機的軟硬件技術、機械結構等進行了研究,并基于歐盟2004年關于可穿戴計算技術研究的工程項目(WearIT@work),設計了三代基于RISC嵌入式結構的Q-BeltIntegratedComputer(QBIC),目前正在各種應用中試驗運行。［BM,Via,Xybemaut等公司以及各國軍方在這個領域也開展了大量的工作。國內的研究單位以電子科技大學、重慶大學、哈爾濱エ業大學為主。電子科技大學的移動計算研究中心介入可穿戴計算機研究領域后,對硬件技術、低功耗、可靠性、可穿戴支撐軟件與增強現實技術等進行深入研究,并已成功研制了MCC系列可穿戴系統,其他兩款分別基于X86和PXA270的可穿戴計算機也正在研究設計中。重慶大學在1998年開始了可穿戴計算機的相關研究工作,并推出了Netdaily系列的樣機。哈爾濱エ業大學對可穿戴計算機的研究也取得了一定的成績,先后研制了基于MiniNotebookPC、StrongArm和TransmetaCrusoe的多款可穿戴計算機⑹。分析國內外的研究成果,根據應用的側重點不同,對可穿戴計算機的研究可分為兩類:ー個是以任務為中心(task-centered),ー個是以用戶為中心(user-centered)⑸。以用戶為中心的可穿戴計算機被設計用來為個人空間提供具有一般目的的計算能力和協助,作為用戶的助手,一般用于筆記記錄,通信，情境感知和個人成像等。基于人體環境應用設計的可穿戴計算系統如MIThrill,QBIC等。典型的穿戴計算系統包括穿戴在身上的主機,單手鍵盤或Twiddler,語音輸入輸出裝置,以及頭戴顯示器HMD,如圖1-1所示。圖!-1可穿戴計算系統以任務為中心的可穿戴計算機被設計用于執行某項特殊工作，增強用戶的エ作能力和效率。此類計算機一般提供與任務有關的信息資料的存取和訪問,穿戴起來為了持續的工作任務,工作結束后即可取下。CMU的語言翻譯職能系統(能夠執行語音識別和語言翻譯》以及可穿戴操作助理(能夠協助技術人員在海上石油鉆探平臺上執行檢査工作)都是根據任務所設計的。本文所研究與設計的臂式可穿戴計算機就是以任務為中心可穿戴計算機。1.2.3可穿戴計算機的應用可穿戴計算機可廣泛應用于エ業、軍事、情報、新聞、醫療、商業、搶險與救災乃至日常生活等領域⑻四。(1)軍事或者準軍事上:這是目前可穿戴計算機最具潛カ且應用最多的領域。軍事的主要用途有偵察、作戰指揮、復雜武器系統的操作與維護等。美國國防從90年代中期就開始介入可穿戴技術的研究,對一些大學的研究給予支持,目的是開發出用于未來戰場上的可穿戴系統,提髙士兵的作戰能力和戰場信息掌握能力。目前,美國的部分軍隊已經配備了這種可穿戴系統裝備。準軍事的應用主要有緊急現場醫療、法律執行協助、滅火協助等。(2)エ業上:這是目前最有潛力的應用領域之一,特別是在野外、水下等ー些特殊場合及大型設備安裝和維修等復雜場合，使用可穿戴計算機能夠節省成本,提髙工作效率。例如,美國波音公司為每位機修工配備了一套可穿戴計算機，目的是提髙航空制造業中安裝和維修的工作效率,機修エ通過存儲的技術文檔、同伴或者無線網絡遠程工程師快速地判斷飛機故障所在并進行維修。(3)新聞采訪:利用可穿戴計算機,記者在緊急突發現場能夠迅速地捕捉信息,可進行隱蔽拍攝,可同時完成采訪、拍攝及通信等多項任務。多倫多大學的Mann教授穿戴多年的個人成像系統即可實現以上的功能。(4)醫療與助殘:主要用于監測、醫護和助殘等方面。病人穿戴配有這種微型生物傳感器的可穿戴計算機來監視自己的身體狀況,如心律、血壓等;并且能夠與醫生及護士各自專用的可穿戴計算機組成一個網絡系統,隨時將信息反饋給醫生,并進行遠程醫療;殘疾人則可以利用可穿戴計算機的增強現實、情境感知等功能來彌補自身的不足。(5)日常生活:可穿戴計算機可用于日常生活的每個角落,它可集隨身聽、手機、攝像機、數碼相機、掌上電腦、電子導游、醫療監測及其他ー些特殊功能為一體,成為新概念的個人信息電子產品。穿戴者可隨時隨地瀏覽網頁，欣賞視頻,與周圍的其他穿戴者通信，遠程監控家里或者辦公室的電子設備等?；诳纱┐饔嬎銠C一些研究成果,國內外已展開某些應用領域的研究并取得初步成果,在國外可穿戴計算機已經被應用在工業和軍事中。隨著計算機技術及相關技術的發展,應用研究將是可穿戴計算機研究領域的趨勢，除了以上的應用領域以外,可穿戴計算機還在電子商務、銷售服務、快遞、物流倉庫管理等服務行業具有應用前景,值得探索和研究。物流信息處理現狀物流有傳統和現代之分。傳統的物流是指商品在運輸、裝卸、儲存等方面的活動過程?，F代物流則是在傳統物流的基礎上,引入高科技手段如通過計算機進行信息聯網,并對物流信息進行科學管理,從而使物流速度加快,準確率提高,減少庫存,降低成本,擴大了傳統物流功能【助?，F代物流活動的信息化需要物流信息技術的支持,如網絡技術、GPS技術,計算機處理技術,數據庫存儲技術,自動識別技術等。自動識別技術（如條形碼、RFID等技術）在現代物流中的應用,使得物流信息的識別和采集問題得以解決,使得其他信息技術在物流中的作用得到更好的發揮,最終使得物流的信息化和現代化成為可能,它的實現也決定了物流中信息存儲、傳輸和處理過程的完成ロリ。目前,大多數物流企業在各個物流環節中已引入自動識別技術,特別是條形碼技術,并通過計算機系統和掃描儀相結合的方式完成各種作業。同時,隨著計算機領域研究的深化和自動識別技術的發展,便攜式數據終端也應運而生,并在物流活動（尤其是倉儲作業）中發揮著重要的作用。便攜式數據終端,也稱為手持終端,是集條形碼掃描、數據采集、數據顯示、數據處理、數據傳輸等功能于一體的終端電腦設備【皿。通過手持數據終端可以將物品的接收、儲存、提取、補貨等信息及時采集并與主計算機系統進行數據交換,實現對庫存的準確掌握;接收主計算機的數據信息以指導工作人員操作，減少人エ操作的差錯率,提高作業效率。而將其與客戶計算機系統連接,實現共同運作，則可為客戶提供實時信息管理,也提高了系統整體運作效率和服務水平。隨著信息科技的發展、物流信息化的普及以及企業競爭的日益激烈，越來越多的物流企業將目光投向便攜式計算系統，對其各項技術指標要求也越來越高,這就促使其向更深更廣甚至更新的領域發展。主要研究內容本文結合目前可穿戴計算機的應用研究特點以及相關技術的發展,對臂式可穿戴計算機（可簡稱為臂式機）的硬件平臺進行研究和設計，最終目標是要實現ー個具有高性能、低功耗特性的臂式可穿戴計算機的硬件原型系統,在功能上滿足物流倉儲作業現場數據采集處理的應用要求。論文的主要內容如下:（1）研究和分析臂式可穿戴計算機的總體設計方案。針對物流作業現場的應用,分析系統的設計需求,包括功能需求和非功能需求;基于嵌入式系統的特點及需求,選擇了RISC嵌入式系統架構;對主要的解決方案進行研究,主要針對處理器的選型和功能實現方案的初步確定；最后建立系統的硬件平臺結構。（2）根據針對物流應用的臂式可穿戴計算機的硬件平臺結構,分析和設計整個硬件系統各個功能模塊的電路，主要包括CPU核心模塊、存儲模塊、人機交互模塊（LCD,音頻,鍵盤等）、網絡通信模塊（以太網,藍牙）、RFID、電源模塊、擴展接口模塊（USB,RS232串口）等。（3）基于Cadence軟件系統進行臂式可穿戴計算機的PCB分析和設計。闡述了髙速電路板設計的關鍵問題,并給出了具體的解決措施;對具有髙速電路特點及髙密度布線特點的核心和擴展主板進行分析設計,其中包括疊層設置、布局、布線等；對SDRAM與CPU之間的髙速信號進行布線前后拓撲結構提取調整和信號完整性仿真分析；并給出布線完成后原型系統的PCB圖。（4）對制作完成的臂式可穿戴計算機的原型系統硬件部分進行調試，包括硬件電路單獨調試,軟硬件結合調試以及功耗的初步測試。建立調試環境,給出調試方案,分析并解決調試過程中出現的問題,給出系統實現結果,驗證設計的系統能否正常運行,是否符合需求。第二章總體設計方案研究臂式可穿戴計算機是以任務為中心的可穿戴計算機，被設計用于執行物流系統中的倉儲、配送等工作,以增強工作人員的工作能力，提髙工作效率，因此本章主要是針對物流倉儲現場的應用需求,對臂式可穿戴計算機的總體設計方案進行研究。系統設計流程本文主要對臂式可穿戴計算機的硬件平臺進行研究，并設計ー個原型系統。結合臂式可穿戴計算機總體設計過程，臂式可穿戴計算機硬件的設計流程如圖2-1所示。圖2-1臂式可穿戴計算機原型系統設計流程首先是系統的需求分析，基于物流應用，研究需要解決的問題，并進行具體的分析;基于需求，選擇系統的整體架構,進而進行處理器的選型和硬件功能解決方案確定;根據相應的功能劃分模塊，建立硬件平臺結構;然后對各個模塊進行芯片選型、電路原理詳細設計，進行系統的核心和擴展PCB板的設計；制板完成后進行焊接調試，與軟件進行集成調試，發現硬件問題時，進行修改后回歸測試,直至達到設計的目標;最后集成軟件后進行測試。2.2系統需求分析本系統的設計目標是構建適用于物流系統中倉儲、配送等工作現場的臂式可穿戴計算機硬件平臺。首先應該根據臂式可穿戴計算機的特點及應用環境的任務需求,明確系統的設計要求。功能需求分析在任何情況下,功能都是可穿戴計算機最重要的因素,因此我們必須對其功能進行清晰的定義。臂式可穿戴計算機要具有便捷的通信、數據釆集存儲以及良好的人機交互界面等功能特點。在工作現場,工作人員需要穿戴此終端散布于倉庫或者更廣闊的空間中,而且,無論使用者處于何種工作狀態下,都需要與PC機主系統或者其他設備進行通訊,獲取、傳送必要的數據信息,進行實時地交流，如圖2-2所示。因此臂式可穿戴計算機必須具有通信功能,以便與外界的網絡進行連接,包括無線和有線兩種形式。圖2-2通訊環境示意圖臂式可穿戴計算機需要具有良好的人機交互界面接口。臂式穿戴方式使得使用者可以像手表ー樣隨時査看,所以它必須具有直觀的顯示功能;在某些應用場合,使用者還需要對數據進行輸入和處理,因此可穿戴計算機必須具有輸入交互接口,例如選用簡單的功能按鍵和觸摸屏的輸入方式:另外,使用者在手工工作現場需要解放雙手,以至于不能將過多的注意力轉移到顯示屏和鍵盤上，因此還應該增加語音控制功能，通過音頻輸入輸出方式來控制計算機或者指導使用者。臂式可穿戴計算機是以任務為中心,針對其特殊的應用環境應該具有特殊的應用功能。在物流系統、倉庫管理等方面,條形碼的應用已經非常普遍,大大提髙了工作的自動化水平;另外,RFID技術作為ー門髙新信息技術,具有快速、實時、準確采集的功能特性,已經在國外一些物流系統中得到應用，且優于條形碼技術,RFID技術將是條形碼技術的必然替代品。就目前來說,RFID技術的應用成本很髙,且還沒有被用戶普遍認可,因此以后相當長的時期內,RFID技術與條形碼技術將會共存。基于此,可穿戴計算應該能夠同時支持條形碼掃描技術和RFID技術,為它們提供相應的功能接口,使得現場采集數據更加方便、快速。系統的正常運行要依靠硬件與底層軟件相結合，因此我們還需要足夠的系統存儲器用于固化操作系統和相關的軟件。當然外擴存儲設備也是必要的，以用于存儲用戶采集的大量信息數據,如SD卡、CF卡等。此外,由于用戶需求和現實的應用環境隨時會改變,計算機除了具有基本的功能以外,還應該具有擴展其他設備的功能接口,如通用的USB接口是大多數設備具有的接口。根據以上所述,總結本系統所應具備的功能以下:＞保證系統正常運行的程序存儲能力。＞支持外部存儲卡。＞支持較好的輸入輸出人機交互形式（如顯示,語音等）。＞支持USB、串ロ等設備。＞支持無線通信及有線通信。＞支持條形碼掃描和RFID數據采集功能。＞支持與主機的通訊和調試.非功能需求分析臂式可穿戴計算機除了應有的功能外,還有其他非功能性的需求。從以下幾個方面考慮本系統的非功能需求:￠1）較好的處理性能臂式可穿戴計算機本身就是計算系統,在應用中主要用于實時數據采集、傳輸、處理,以及實時地遠程交流等。隨著信息化的發展和工作效率要求的提髙，對信息采集速度、準確性及相關操作的反應能力的要求會更髙,因此對計算機的處理性能及實時性的要求也較髙。(2)體積和重量限制穿戴性是衡量穿戴計算機使用性的ー個標準,只有具有合適的穿戴性,工作人員在穿戴時才能夠感覺舒適,更方便、更好地使用可穿戴計算機,進而提髙エ作的效率。這就要求臂式可穿戴計算機對體積和重量有一定要求,體積越小,重量越輕,對穿戴性影響就越小。因此,在設計過程中應以此為基準盡量選擇體積小、集成度髙的處理器和其他主要控制芯片，使用貼片封裝的元器件，電路設計盡量簡單,以減少印刷電路板的面積。(3)低功耗臂式可穿戴計算機作為移動性的設備,一般都是由電池供電。同時,工作人員需要穿戴計算機在遠離電源的現場工作，沒有及時的電源供應,這就要求臂式可穿戴計算機具有較長的電池工作時間。因此,必須從全局每個細節來考慮此約束,在滿足必須的處理性能的情況下盡量降低系統的功耗,延長電池的供電時間,滿足了長時間的工作需要。2.3系統架構的選擇由前文的需求分析可知，臂式可穿戴計算機不但需要具有合理的性能和功能,還要求體積較小,功耗較低,這樣才能具有合適的穿戴性,以保證工作人員能夠容易穿戴,感覺舒適,進而更好地解放雙手和注意力,提髙工作的效率。相關研究分析表明,目前大多數可穿戴計算機使用X86體系結構CPU、通用操作系統、軟件等,雖然性能能夠達到應用要求,但是此CPU和操作系統是導致功耗較髙、體積較大的關鍵原因n叫因此，為了滿足臂式可穿戴計算機的需求,必須從此方面著手研究,探索合適的CPU和操作系統。早在1996年的BoeingWearableComputerWorkshop上就曾對可穿戴計算機硬件的系統結構進行過總結描述,具有三種體系結構,其中一種是“采用實時嵌入式系統技術,利用其低功耗處理器和實時操作系統,這有利于減輕重量，減少功耗,增加實時響應等,主要用于開發專用的嵌入式可穿戴計算機系統”⑴。但是ー直以來,因為實時嵌入式技術并沒有達到可穿戴計算機的性能需求,可穿戴計算機的研究并沒有將此作為重點,大多數的研究還是基于X86結構。然而嵌入式系統技術發展到現在,處理器的處理性能越來越髙，實現的功能也越來越強大，而且功耗很低,已經能夠滿足針對應用而設計的可穿戴計算機的需求。其中，嵌入式CPU具有低功耗、體積小、集成度髙等特點,能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部,從而有利于整個系統設計趨于小型化;嵌入式Linux操作系統內核小,效率髙,具有可裁減性,占用存儲空間小。因此，選用性能髙、功耗低的RISC嵌入式CPU和嵌入式實時操作系統能夠基本滿足臂式可穿戴計算機的要求?？偨Y以上的論述，本文的臂式可穿戴計算機就是基于髙性能、低功耗的嵌入式CPU所設計的實時嵌入式系統,同時該計算系統相關設計也可遵循嵌入式系統開發設計的一般原則。2.4嵌入式系統簡介“リ聞嵌入式系統（embeddedsystem）是以應用為中心，以計算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。與通用計算機系統相比,嵌入式系統具有以下特點:（1）功耗低、體積?。?）具有較髙的實時性要求,采用實時嵌入式操作系統。（3）系統資源相對較少,個性化比較強。不同的任務具有不同的系統,只要系統硬件發生變化，操作系統和其他軟件都要修改。（4）程序的目標代碼一般固化在存儲器芯片中,對程序代碼質量和長度有較髙要求,以防止產生嚴重后果。（5）不具備自主開發能力,需要專用開發環境、工具和方法進行設計嵌入式系統將軟件與硬件集于一體，自底向上由四個部分組成:嵌入式硬件平臺,硬件抽象平臺（即板極支持包BSP）,嵌入式操作系統，嵌入式應用軟件。如圖2-3所示。景作車倏與硬件牯藪層的接景作車倏與硬件牯藪層的接口應用程序與擦作羸猊的接口硬件抽歡層與提件的接□圖2-3嵌入式系統組成其中,硬件平臺主要由嵌入式處理器及其控制所需要的外設組成,不同的系統具有不同的硬件平臺。嵌入式硬件平臺的核心是嵌入式處理器,而嵌入式處理器多種多樣,可分成四類:嵌入式微處理器EMPU,嵌入式微控制器MCU,嵌入式DSP處理器,片上系統SOC.在設計開發嵌入式系統時,應該根據實際的應用場合決定使用何種處理器。實時控制應用領域,多選用嵌入式微控制器:在圖像處理、多媒體信息設備等領域,往往選用帶有DSP內核的片上系統或者DSP處理器;在髙端數據處理應用、消費類電子產品上，則常選用嵌入式微處理器。嵌入式微處理器的原型是通用計算機中的CPU,將微處理器裝配在專門的電路板上,去除冗余的部分，保留與應用有關的功能硬件,這樣就大幅度地降低了體積和功耗，滿足嵌入式系統的特殊應用要求。嵌入式微處理器有多個系列,其中ARM系列微處理器獲得的重視和應用最為廣泛，許多設計人員都選擇ARM微處理器作為產品的核心處理器。至今為止,ARM微處理器的應用已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統、機器人控制等各類產品市場,ARM技術正在逐步滲透到我們生活的各個方面。ARM微處理器的特點如下:＞采用RISC架構。＞體積小、功耗低、性能髙、成本低。＞支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集,能很好地兼容8位”6位器件。＞大量使用寄存器,大多數數據操作都在寄存器中完成,指令執行速度更快。＞指令長度固定,尋址方式靈活簡單,執行效率髙。＞可利用的軟件資源豐富。2.5技術方案分析與確定處理器是整個系統的核心，因此在本文系統設計過程中,需要選擇ー款滿足需求的微處理器。只有選定了處理器芯片之后,才能進ー步確定和設計其外圍電路及系統的其它電路。2.5.1處理器選型臂式可穿戴計算機是ー個以RISC嵌入式微處理器為核心的實時嵌入式系統，有效地利用了嵌入式系統的優點。嵌入式處理器的種類很多,然而并不是所有嵌入式處理器都符合要求,因此要從中選擇較為合適的微處理器。ARM作為32位嵌入式微處理器解決方案供應商,其設計的ARM體系結構目前被公認為業界領先的32位嵌入式RISC微處理器結構,且已經成為移動通信、便攜式計算、多媒體數字消費等嵌入式解決方案的RISC標準。同時,許多大型的半導體和處理器公司都使用ARM結構作為微處理器核的基礎,根據各自不同的應用領域，加入適當的外圍電路和先進技術,形成自己的體系結構或者微處理器芯片,其中包括Inte!公司的XScale系列、Samsung公司的ARM系列、T!公司的OMAP系列等。基于此,本文將選擇范圍縮小到ARM微處理器中。依據上文的系統需求分析,即髙性能、小體積和低功耗的設計要求,經過分析比較，最終選用了Intel公司專門為無線手持應用產品開發的XScalePXA270微處理器作為臂式可穿戴計算機的處理器。具體的選型依據如下:(1)工作頻率工作時鐘頻率是決定處理器性能的主要因素,因此將其作為選型指標之ー。Intel官方數據表示312MHz的PXA27xCPU(XScalePXA27x系列中最低時鐘頻率)將達到520MHz的ARMCPU的多媒體處理效能,而CPU時鐘主頻達到624MHz,則可以具備775MHz的ARM的性能體現。這意味著未采用ARMV6指令集的PXA270,照樣躋身于一流嵌入式產品的行列,提供其髙性能的特性。圖2-4所示為幾種髙性能處理器的性能比較【⑹。圖24圖24幾種處理器的性能比較puooesojols(2)片內外圍電路的選擇和集成度當前,許多嵌入式處理器或多或少都集成了一些外圍設備的功能,減少了外圍芯片的使用,降低了整個系統開發費用及周期。PXA270處理器的外圍設備集成度非常高,提供了豐富的接口控制器:存儲控制器（SDRAM/FLASH）,UART（標準、藍牙和全功能），12c串行總線接口,鍵盤接口,AC97編碼接口,USB主從控制,LCD控制器,SD控制器等?？梢娞幚砥鲀炔考闪俗銐蚨嗟膽盟韫δ?外部需要增加的元器件相對減少,不僅可以降低成本,也可以達到降低功耗、縮小PCB電路板繼而減小整體體積的目的。（3）功耗和體積PXA270處理器采用WirelessIntelSpeedStep技術（電源管理技術）,實現了基于PXA270的系統低功耗以及優越的電源管理，這對需要長時間電池供電的臂式可穿戴計算機來說非常適合,大大降低了系統的功耗，延長了工作時間。PXA270能根據系統工作動態改變內核的電壓和處理器時鐘頻率,支持五種低功耗模式。其最大功耗為925mW（時鐘頻率為624MHZ）;當進入深度休眠時,功耗達到最低，只有0.1014mW。同時,PXA270具有小型的VFBGA封裝，大小為13X13mm。（4）開發方便程度XScalePXA270微處理器是基于ARMv5TE體系結構的解決方案,兼容ARM編程模式,因此能夠獲得很多的第三方工具、制造、軟件的支持,開發過程可利用的資源較多,開發較容易,使得整個系統設計周期縮短,成本降低。表2-!為Samsung的S3C2410處理器和Inte!的XScalePXA270處理器的比較,這兩款是市場上主流的處理器。表2-1兩種處理器的比較處理器名稱SamsungS3C2410AIntelPXA270架構ARM92OTXScale最髙時鐘頻率203MHZ624MHZ功耗（典型值）335mW(266MHZ)259mW(200MHZ)925mW(624MHZ)375mW(312MHZ)存儲控制器，SD接口YesYes音頻接口I2SI2S,AC97LCD控制器YesYesUSB主從控制器YesYes藍牙,鍵盤接口NoYes封裝大小14X14mm13X13mm

由上文的分析中可以得出,PXA270處理器能夠提供髙性能、低功耗和髙集成度,基本滿足本文所設計的臂式可穿戴計算機的需求。PXA270處理器是Inte!公司針對嵌入式領域的專用標準產品ASSP(如手持設備,網絡產品,存儲設備,遠程訪問終端等)開發的,基于IntelXScale技術的新一代嵌入式微處理芯片。它提供了業界領先的MIPS/mW性能,更低的功耗,豐富的外設集成,以及第二代內存堆棧技術"〈它采用了XScale微架構,并增加了一些新的技術,增進了芯片的性能和集成度，進ー步降低功耗。(D無線MMX技術:首次引進了Intel的無線MMX技術，有效地增強處理器的多媒體處理能力,能夠很好地支持MPEG4和MP3解碼,更加髙效的執行2D/3D程序應用等。(2)QuickCapture技術:能夠通過攝像頭捕捉現場的動態視頻和髙質量的靜態圖像。集成了QuickCapture技術的PXA270處理器,能夠支持400萬像素的攝像頭，提供了完善的視頻拍攝解決方案,繼而可減少對外部預處理程序的需求,從而節省成本,降低功耗。(3)無線SpeedStep動態電源管理技術:無線SpeedStep動態電源管理技術根據系統的工作狀態動態調節CPU的主頻和電壓,有效地降低了功耗，延長了電池的供電時間。無線SpeedStep技術可支持“IDLE”、“DeepIDLE“、"Standby”、“Sleep”和“DeepSleep”等多種休眠模式,可以將PXA270的主頻在26MHz?624MHz(最髙)之間自由調節。在系統完全空閑時,PXA270可以運行在26MHz的主頻下,此時它的功耗將低于。.1毫安〔四。圖2-5PXA270的最小系統及內部結構圖圖2-5PXA270的最小系統及內部結構圖如圖2-5所示為PXA270內部結構,主要由時鐘和電源管理器、存儲控制器、LCD控制器、URAT控制器、USB主從控制器、AC97控制器、12c總線控制器、MMC/SD/SDIO控制器、鍵盤接口及JTAG接口控制器等組成〔ゆ。其中,時鐘和電源管理單元負責管理處理器復位、時鐘、電源管理,控制外圍電源管理芯片,對處理器整體的功耗和處理性能進行優化。時鐘管理器包含所有的時鐘產生、選通和頻率控制，可控制對不使用的設備停止提供時鐘信號,以達到降低功耗的目的。電源管理控制所有的內外部電源,以及處理器進出各種電源模式的順序，具有一種正常工作電源模式(runmode)和五種低電源模式(idle,deep-idle,standby,sleep,anddeep-sleepmodes),PXA270通過在不同工作模式之間的轉換來控制其功耗,這六種工作模式的功耗依次降低。2.5.2功能方案確定臂式可穿戴計算機的功能需求,在實現技術上可有不同解決方案。結合處理器內部所集成的功能,本著性能盡可能提髙、功耗盡可能降低、技術實現盡可能簡捷的目標,在各個功能的實現上初步選擇了如下方案。(1)SDRAM和FLASH是實現臂式可穿戴計算機必不可少的一部分。臂式可穿戴計算機將FLASH存儲器作為硬盤使用,當程序需要運行時,首先將其加載到SDRAM存儲器中，在訪問速度較快的SDRAM中運行。同時，系統的啟動程序和操作系統內核的大小約為28MB,還需要保留應用程序的存儲空間,因此本文選用容量均為64MB的FLASH和SDRAM。(2)臂式可穿戴計算機提供SD存儲卡接口。PXA270可同時擴展CF和SD卡接口,而且兩者功耗相當。雖然CF存儲卡的容量更大,但是其他方面不如SD卡;而且市面上SD卡的容量最髙可達4GB,已可滿足實際應用中的數據存儲需求，如表2-2所示為兩者之間的比較。因此，本文選用SD卡實現外部存儲功能。表2-2CF卡與SD卡比較規格容量體積(mm3)重量(g)速度創見CF卡!20x4GB42.8X36.4X3311.4I8MB/S威剛SD卡150x4GB32X24X2.1222.5MB/S(3)選用基于Bluetooth和802.11b/g技術的無線網絡來實現無線數據傳輸?？晒┻x擇的無線網絡通信有三種:藍牙、紅外及WLAN,比較結果如表2-3所示。從中看出,藍牙與802.11b比紅外更適用于遠距離的通信:802.11b的功耗遠遠髙于藍牙和紅外的傳輸。本文最終選擇將藍牙模塊嵌入到系統中作為常規無線通信手段,而802.11b/g無線網卡在使用時通過USB接口連接到系統中。表2-3三種無線通信比較規格藍牙紅外802.11b傳輸速度（Mbit/s）1,2.11.152,4,1611數據/語音支持語音/數據數據語音/數據傳輸距離（m）10~1001?325-100（室內）300（室外）最大功耗l~100mW約4mW約1W連接設備數8個2個1〇?100個主要用途局域網透明近距離范圍無線局域網（4）臂式可穿戴計算機選用帶觸摸屏的3.5”LCD顯示屏、音頻總線接口以及功能鍵盤實現其良好的人機交互功能。LCD液晶顯示是直觀顯示功能的最佳實現形式,同時由于體積及移動性的要求,必須選擇合適的小尺寸LCD,因此本文選用大小適中的3.5”LCD顯示屏作為人機交互的界面。采用觸摸屏，用戶只要輕輕地觸碰顯示屏上的圖文,就可實現對計算機的操作,從而使得人機交互更加直截了當,更加方便。（5）臂式可穿戴計算機為條形碼掃描器留出合適的接口（USB或RS-232接ロ）;采用內嵌式的RFID閱讀器，以滿足現場實時的數據采集要求,同時也減少外圍設備的連接。（6）臂式可穿戴計算機提供RS232串行接口和JTAG接口用于系統與PC機的調試通訊,采用USB主從設備接口實現計算機與外部設備的連接,增強數據傳輸功能。此外,10/100M自適應以太網作為目前普遍使用的有線網絡連接形式,被選擇用在臂式可穿戴計算機中。（7）在現場工作中,臂式可穿戴計算機至少要連續工作3?4個小時,即半個工作日。由于體積的限制,不可能使用大體積的電池,如筆記本的電池，因此本文設定使用3.7V4800mAh的組合式鋰電池供電,由兩個2400mAh的圓柱形鋰離子電池組合而成，尺寸約為65x36x18mm。根據計算可得出系統的需求功耗范圍，即尸=4800松あx3.7//（3?4）h=4.4ル?5.9V。經過以上的研究和分析,對臂式可穿戴計算機的預期設計方案做出了總結,如表2-4所示。

表2［臂式可穿戴計算機的設計需求及實現形式項目類別內容細則實現形式功能需求計算CPUPXA270312~624MHZ(512MHZ)存儲數據暫存（內存）64MBSDRAM程序存儲（硬盤）容量＞=30MB64MBFLASH外擴存儲容量可選SD存儲卡交互輸入功能鍵盤音頻輸入音頻總線接口觸摸輸入觸摸屏輸出界面顯示3.5MLCD顯示屏音頻輸出音頻總線接口網絡通信有線網絡以太網10M/100M自適應網絡無線網絡WLANUSB接口外擴Bluetooth內嵌藍牙模塊數據采集采集RFID標簽信息RFID閱讀器內嵌RFID模塊采集條形碼數據條形碼掃描器USB接口/串口其他接口與外部設備連接USB設備USB主設備接口與PC機通訊傳輸數據USB從設備接口調試JTAG和串口其他需求電源持續供電3イ個小時鋰電池,3.7V,大于4800mAh功耗性能、接口滿足前提下盡量處于4.4W?5.9W之間2.6系統硬件平臺結構根據前文分析結果,臂式可穿戴計算機硬件平臺的結構框圖如圖2-6所示,主要由核心控制模塊、電源模塊、存儲模塊、網絡通信模塊、人機交互模塊、數據采集模塊及擴展接口模塊七個部分組成。

可絡通信模象:/存儲模供イNORFLASHBar-codeScanner3M衛。qd-tudSDCARD XScalePXA270SyMemBus,PeripheralBusKeypad核心模塊SystemPowerSupplyRFIDReader33,LCDIT-chF—dI可絡通信模象:/存儲模供イNORFLASHBar-codeScanner3M衛。qd-tudSDCARD XScalePXA270SyMemBus,PeripheralBusKeypad核心模塊SystemPowerSupplyRFIDReader33,LCDIT-chF—dI3一〇七110しasReset&Clock圖24臂式可穿戴計算機硬件平臺結構圖（1）核心控制模塊是整個計算機硬件系統的中樞控制中心,負責協調管理各個模塊,負責各個任務之間的調度和決策等,用于管理和控制系統中的其他硬件運行,PXA270處理器內部集成了系統所需的許多外圍控制功能。該模塊主要包括處理器復位電路、晶振電路、處理器供電電源電路以及JTAG調試接口等。（2）電源模塊為整個系統的實現提供電源支持，保證各模塊的正常工作。（3）存儲模塊為臂式可穿戴計算機提供程序和數據的存儲,主要由三個部分組成:FLASH,SDRAM和SD卡接口。其中，FLASH和SDRAM容量均為64MB,FLASH中固化系統啟動程序,操作系統和應用程序;在系統運行時，將用戶堆棧、運行數據放入SDRAM中，以提髙系統運行速度;SD卡接口用于外接SD存儲卡,主要負責存儲采集到的物流數據。（4）人機交互模塊用于實現使用者與計算機之間自然方便地對話和通訊,主要包括觸摸屏、LCD顯示、音頻輸入輸出和功能鍵盤。臂式可穿戴計算機通過這些設備向用戶提供豐富友好的操作界面,為用戶做出正確決策提供了有力的支持。（5）網絡通信模塊由以下三個部分組成:10ハ00M自適應以太網,藍牙模塊以及通過USB接口外接的無線網卡,為獲取和傳送信息提供可靠的網絡連接支持。同時以太網接ロ也可用于調試時的程序下載。（6）數據采集模塊是臂式可穿戴計算機的特殊功能部分,支持條形碼和RFID標簽信息的采集。此模塊主要由RFID閱讀器模塊組成,條形碼掃描器使用USB或串口外擴。(7)擴展接口模塊為臂式可穿戴計算機提供與PC機及其他設備的通訊接口,主要由RS-232,USB主從設備接口等串行口電路組成。RS-232、核心模塊中的JTAG接口主要用來調試下載程序:USB接口可用來與?C機及其他USB設備連接。7本章小結本章主要分析臂式可穿戴計算機的總體設計方案。給出系統的設計流程后,首先根據物流應用場合的具體需要,分析了系統的設計需求,包括功能需求和非功能需求;然后基于嵌入式系統的特點及需求,選擇了RISC嵌入式系統架構;隨之對主要的解決方案進行研究,包括處理器的選型和功能實現方案的初步確定,并簡要介紹了PXA270處理器的特性和結構;最后基于前文的分析建立系統的硬件平臺結構。第三章臂式機的硬件電路設計根據前文的研究和分析,硬件電路設計包含兩部分內容:一是系統的擴展,即微處理器內部的功能電路,如ROM、RAM、時鐘復位等。二是系統的!Z0設備配置,即按照系統功能要求配置外設電路。硬件平臺的各個模塊在電路設計上有重復的實現形式，因此在本章中將對各部分具體實現電路進行分析和設計。3.1硬件設計要求結合前文對需求的分析和臂式可穿戴計算機的局限性,在設計硬件電路時應遵循以下幾點原則:（1）盡可能選擇集成度髙的器件,朝SOC方向設計硬件電路。整個設計中充分考慮簡化電路，使用盡量少的器件,這樣可減少器件之間相互干擾,以達到提高系統的穩定性和可靠性的目的,也可以降低系統功耗和體積。另外,軟件能實現的功能盡可能由軟件實現,這樣也可以簡化外圍硬件電路。（2）盡量選擇低電壓、低功耗、小體積的器件。相關資料表明，一般選用低電壓、頻率可調器件以及采用SOC設計來降低硬件平臺的功耗12叫處理器已經選擇了頻率可調、電壓低、集成度較高的PXA270,其他的電路在滿足性能和功能的情況下,也應該選擇電壓較低的專用芯片和外圍模塊。（3）盡可能選擇典型電路。在滿足性能的前提下,根據處理器和芯片資料提供的推薦電路和相關元器件來設計電路,既可以保證電路的可靠性,也為標準化打下基礎。3.2CPU核心電路設計CPU是系統的核心，此部分電路主要包括微處理器PXA270、時鐘產生電路、復位電路以及其他連接電路,以下主要對時鐘電路、復位電路等進行分析。時鐘電路PXA270處理器通過13MHZ的振蕩器提供PLL參考時鐘，為所有的內核和外

TXTAUPXTAU圍設備提供時鐘;同時在低功耗模式中,通過32.768KHZ時鐘源為定時功能提供低功耗和低頻率的時鐘。因此,PXA270處理器需要外接32.768KHZ和!3MHZ的晶振與片上振蕩器一起提供這兩種時鐘參考源;片上振蕩器已經提供了所需的負載容量,所以不需外接額外的電容。32.768KHZ和13MHz的晶振電路如圖3-1所示,其中為了保證晶振的良好起振效果,將晶體的外殼接地。TXTAUPXTAU 1Y2

32.768KHZ

TXTMOコ圖3-1晶振電路復位電路復位電路主要完成上電復位和手動復位功能。PXA270的復位管理器為其提供五種復位方式:上電復位、硬件復位、看門狗復位、GPIO口復位和睡眠喚醒復位,其中硬件復位是給處理器的nRESET引腳ー個低電平,使得CPU無條件復位，此時nRESET_OUT輸出低電平，寄存器的值恢復成初始狀杰。復位電路的實現形式很多,為了保證處理器在電源到達所要求的電壓之前不會產生異常情況，在本系統中采用電源監控和復位芯片設計復位電路。MAX811是ー種低功耗的微處理器監控電路,用于監控微處理器和數字系統的電源供給系統,具有極好的電路可靠性。當用在5V或3V的電源電路中,通過減少外部器件和調整器件可降低成本,具有手動復位輸入的功能。小封裝和低靜態電流使得此芯片適合用于本設計。采用此芯片可以確保處理器復位時間超過140ms,進而提髙系統的可靠性。當電源低于閾值電壓或者手動按鍵使得復位引腳拉低時,該芯片輸出復位信號到PXA270的nRESET引腳,PXA270則通過nRESET_OUT引腳為外圍電路輸出復位信號。電路連接如圖3-2所示。 us us —GNDVCC上&RESETMR違MAXB11VDDJV3R1810K~ T 3R171OKGND壬ムS2442GND圖3?2復位電路原理圖JTAG接口電路JTAG（JointTestActionGroup,聯合測試行動小組）是ー種國際標準測試協議,主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試,它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP（TestAccessPort,測試訪問ロ）,通過專用的JTAG測試工具對具有JTAG接口芯片的硬件電路進行邊界掃描和故障檢測。標準的JTAG接口是4線:TMS、TCK、TDKTDO,分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。JTAG測試允許多個器件通過JTAG接口串聯在ー起,形成一個JTAG鏈,實現對各個器件分別測試。通過JTAG接口可以進行電路板及芯片的測試,也可以實現對目標電路板的程序存儲器的編程和程序下載,因而常用于開發調試嵌入式系統過程中I訓。PXA270處理器有一個內置JTAG接口,可直接擴展。為了配合JTAG硬件電路,這里采用2X10（2.54mm間距）的插座來實現,具體電路如圖3-3。VDMV3圖3-3JTAG電路原理圖3電源模塊電路設計本系統的電源設計較為復雜,一方面為了適合臂式穿戴和移動性的特性,臂式可穿戴計算機需采用鋰電池供電的方式,鋰電池的電壓范圍是2.9-4.2V,典型電壓是3.7V。另一方面,系統中各個部分工作電壓不一致,其中PXA270處理器需要1.1V,1.3V,1.45V,3.3V四種工作電壓,如表3-1所示つ】;而外圍電路中需要5V及3.3V兩種電壓方式。結合處理器PXA270的特性及系統設計需要，本文采用單電源輸入來實現多分支電源管理的方法,并使用分布式電源供電模式。分割各功能模塊的電源,將電源電路盡量靠近所供電區域,減少在傳輸過程中的功耗,減少對其他電路的干擾;根據系統運行方式通過處理器控制其工作狀態,以有效地減小功耗。表3-1CPU處理器供給電壓及電流NameVCJCOREVCC_PLLVCC_SRAMVCC_BATT,VCC」O等Current(mA)@Voltage600@1.45V40@1.3V50@1.1V300@3.3V臂式可穿戴計算機在大多數情況下是靠電池供電,內部（即電池后端）的電源管理有DC/DC和LDO兩種實現方式,各有優缺點。正常工作時,DC/DC模塊能提供給系統穩定的電壓,并且保持自身轉換的高效率,低發熱,但是在輕載狀況下，DC/DC的靜態電流及開關噪聲比較大,功耗較高;LDO正好可以滿足在這種條件下的供電要求,CMOSLDO有著極低的靜態電流,極低的噪聲,較高的PSRR（電源紋波抑制比）,以及較低的壓差,但輸出功率較小，在負載較重時,自身損耗較大。因此,在負載較重、輸出功率要求較高的場合,采用DC/DC方案;在功率要求較低、壓降較低、瞬態響應和紋波噪聲要求較高的情況下，使用線性電源LDO較好。經過分析后,設計的電源系統結構框圖如圖3-4所示。圖3［電源系統結構框圖由于電池供電電壓在2.9?4.2V之間，無法達到系統電壓要求,因此要將其升壓到5V。本設計采用了高效率的LM3224升壓轉換器。LM3224可在615kHz至1.26MHz的開關頻率范圍內操作,可選用較小的電容器件，較易濾波,且噪音也較低；可通過外部軟啟動來控制芯片的工作狀態;最大負載電流可達2.8A；靜態電流小,關斷時僅有。.luA,節省功耗;采用MSOP-8封裝，節省占用空間。處理器PXA270核心電源VCC_CORE對功率,穩定性等要求較髙,因此采用了輸出電流髙達800mA的降壓轉換器LTC3404。此芯片具有固定的工作頻率，髙達95%的工作效率，過流保護,極低的靜態電流,功耗低,MSOP-8封裝形式等特點,優于其他DC/DC的是外部電路不需要肖特基,可使用貼片電感和電容，進一步節省了空間。處理器的鎖相環電源VCC一PLL與內部SRAM電源VCC_SRAM對電源紋波、噪聲要求很髙,因此我們選用LDOMAX8863,利用了其極低噪聲和較髙PSRR（電源紋波抑制比）的優點,它的輸出電流為120mAo5V到3.3的轉換通過LDO芯片LM1117-3.3來實現，LM1117的輸出電流可達800mA,可滿足系統的功率需求。圖3-5列出了部分電源電路。VDOJV45電源電路原理圖VDOJV45電源電路原理圖3.4存儲模塊電路設計4.1SDRAM接口電路SDRAM是ー種具有同步接口的髙速動態隨機存儲器,具有髙速、大容量等優點。在臂式機中主要用作程序的運行空間、數據及堆棧區,作為髙速緩存，實現髙速數據傳輸,數據傳輸速度可達IGB/s。當系統處理器從復位地址0x0處讀取啟動代碼,完成初始化后,將程序代碼調入SDRAM中運行，以提髙系統的運行速度;系統及用戶堆棧、運行數據也都暫存于其中。PXA270處理器內部集成有SDRAM控制器,支持16位或32位寬4個Bank的SDRAM（容量最髙達1GB,工作頻率100MHz）,具有獨立的刷新控制邏輯,可以直接擴展SDRAMo因此只要選擇容量合適的SDRAM芯片,通過系統總線擴展即可。本文中選擇的是K4s56162E芯片,3.3V低電壓供電，單片容量為32MB,數據寬度是16位。為了增大數據的吞吐能力,所以擴展了兩片SDRAM構成32位寬,一片與數據總線的低16位相連,一片與數據總線的髙16位相連;將PXA270的字節屏蔽控制信號DQMn與芯片的LDQM/UDQM相連,以保證能夠正確地訪問SDRAM的髙低位字節數據:BA!和BA0引腳是K4S56162E的Bank選擇地址線,同時由于K4s56162E的行地址和列地址是復用的，所以使用的地址線不需要26根,根據處理器的器件手冊說明，見表3-2,可以得出BAI、BA0以及A0-A12與處理器的地址線的對應電路原理圖見附錄ー。表3-2SDRAM與CPU的地址信號映射SDRAM?BileBankxRowxColThoprocessorpinmappingtoSDRAMdevic”(Theaddressline??!hetop夕thecolumnsaretheprocessor lints)DeviceTechno-sgyA24A23A22A21A20A1?A18A17AUA1SA14A13A12AllA101Mx1616Mbit1x11x8BSOA10A9A8MA5A5A4A3A2AlAO2Mx816MM1x11x9BSOA10AdASA7A6ASA4A3A2AlAO8Mx32256Mbit2x13x8BS1BSOA12A11A10A9ABA?AftAfiA4A3A2A1AO16Mx16256MM2x13x9BS1BSOA12A11A102ABATA6ASA4A3A2A1AO32Mx16512Mbit2x13x10BS1BSOAUA11A10A9ABA7AftASA4A3A2AlAO4.2FLASH接口電路NOR和NAND是兩種主要的非易失性閃存技術,其中NORFLASH的接口時序與SDRAMー樣,與支持HOSTBUS的嵌入式處理器容易連接,有足夠的地址引腳來尋址,可以很容易地存取其內部的每個字節;常見的容量為1到32MB,主要應用在程序代碼存儲等方面。本系統即采用NORFLASH作為程序代碼和少量的用戶數據存儲設備?PXA270處理器支持六個靜態存儲接口,其中四個可支持同步FLASH存儲器（最髙容量為384MB）,因此可直接擴展NORFLASH0本文選用Inte!公司的E28F256J3,容量為256Mbit（或32MB）,供電電壓為2.7V?3.6V，封裝為56腳的TSOP,數據總線寬度為16位。芯片存儲空間由256個128KB獨立的擦除塊組成:每個塊的擦除操作均可在1s內完成,可以擦除10萬次;通過一個鎖定位控制它們的鎖定狀態:控制nBYTE引腳來選擇8位或16位數據總線方式。本文系統采用單片16位,nBYTE引腳接髙電平;同時為配合PXA27032位的總線寬度,選用兩片芯片并聯,因此FLASH的總容量就達到了64MB。除了A0,兩片E28F256J3的地址線直接與PXA270的地址線ADDR[2:25]相連。FLASH由3個片選信號CE[2:0],使用nCSO控制CEO可將其分配到Bank。存儲空間中,保證了能夠使用該芯片啟動引導系統。電路連接如圖3-6所示。圖3-6FLASH電路原理圖4.3SD卡接口電路SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備,體積小,重量輕,功耗低,但卻擁有髙記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。SD卡在24mmx32mmx2.1mm的體積內采用了NAND技術，數據傳輸率最髙可達20MB/S,通過9針的接口界面與專門的驅動器相連接,不需要額外的電源來保持其上記憶的信息,不易損壞。基于此,本文將它作為臂式可穿戴計算機大量數據的存儲設備。PXA270處理器具有一個MMC/SD/SDIO控制器,提供了SD卡接口單元,支持SD通信協議,為!-bit和4-bitSD分別提供19.5Mbps和78Mbps的數據傳輸速率,因此本文直接通過信號連接完成設計，如圖3-7所示。圖3-7SD卡接口原理圖3.5人機交互模塊電路設計3.5.1LCD顯示電路LCD液晶顯示屏以其小體積、輕重量、低功耗等特點應用于臂式可穿戴計算機中,是實現人機交互的ー個重要通道。GND

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