（计算机系统结构专业论文）便携式电子白板的设计与实现.pdf

内蒙古大学硕士学位论文 便携式电子白板的设计与实现 摘要 如今，越来越多的学校使用多媒体设备辅助教学。电子白板作为一种多媒体教 学设备已经出现在市场上。市场上现有的电子白板虽然可以满足书写方面的要求， 但是大多无法兼顾产品的便携性，应用场合受到一定限制。本文设计并实现了一个 基于嵌入式技术的便携式电子白板。该电子白板采用a r m 9 平台，可与p c 机进行 通信实现人机交互。系统具有可视、便携的特点，可应用于教学、商务等多种领域。 全文共分五章： 第一章简要介绍了国内电子白板的现状及便携式电子白板的开发背景。在分析 现有产品特点的基础上，确定了本设计的出发点。 第二章介绍了本系统硬件部分的设计过程，包括模块介绍、原理图设计、p c b 设计和电路焊接等内容。 第三章介绍了本系统软件部分的设计过程，包括模块介绍、软件编码等内容。 第四章介绍了应用程序移植的相关内容。 第五章对全文进行了总结，指出今后的工作和待研究的方向。 关键词：电子白板，便携，嵌入式，a r m 便携式电子白板的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fp o r t a b l ew h i t e b o a r d a bs t r a c t t o d a y , ag r o w i n gn u m b e ro fs c h o o l sa r eu s i n gm u l t i m e d i ae q u i p m e n tt os u p p o r t t e a c h i n g a so n ek i n do fm u l t i - m e d i at e a c h i n ge q u i p m e n t ，w h i t e b o a r dh a se m e r g e di n t h em a r k e t 1 1 1 ee x i s t i n gw h i t e b o a r dp r o d u c t sm e e tt h ed e m a n d so fw r i t i n g ，b u tm o s to f t h e ma r en o tp o r t a b l e ，w h i c hl i m i tt h e i ra p p l i c a t i o no c c a s i o n s i nt h i st h e s i s ，ap o r t a b l e w h i t e b o a r db a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g yi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d 1 1 1 ew h i t e b o a r d u s e sa r m 9p l a t f o r m i tc a nc o m m u n i c a t ew i t hp ct oa c h i e v eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n w i 也t h ef e a t u r e so fv i s u a l i z a t i o na n dp o r t a b l e ，i tc a nb eu s e di nt e a c h i n g ， b u s i n e s sa n dm a n yo t h e rf i e l d s t h i st h e s i sc o n s i s t so ff i v ec h a p t e r s ： t h ef i r s t c h a p t e r s u m m a r i z e st h e a c t u a l i t y o fd o m e s t i cw h i t e b o a r da n dt h e b a c k g r o u n do fd e s i g n i n gt h ep o r t a b l e w h i t e b o a r d a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r e so f e x i s t i n gp r o d u c t s ，t h ep u r p o s eo ft h i sd e s i g nw a sp u tf o r w a r d t h es e c o n dc h a p t e rd e s c r i b e st h ep r o c e s so fd e s i g n i n gh a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d i n g m o d u l ei n t r o d u c t i o n ，s c h e m a t i cd e s i g n , p c bd e s i g na n dc i r c u i tw e l d i n ge t c t h et h i r dc h a p t e rd e s c r i b e st h ep r o c e s so fd e s i g n i n gs o f t w a r es y s t e m ，i n c l u d i n g m o d u l ei n t r o d u c t i o n ，s o f t w a r ec o d i n ge t c t h ef o m lc h a p t e ri n t r o d u c e st h ec o n t e n t so f c r o s s - c o m p i l i n ga p p l i c a t i o n s 砀ef i f t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h et h e s i sa n dp o i n t so u tt h a tt h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s k e y w o r d s ：w h i t e b o a r d , p o r t a b l e ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m i i 内蒙古大学硕士学位论文 图表目录 图2 1核心板引脚定义图6 图2 25 v - 3 3 v 直流转换电路图。7 图2 35 v - 1 8 v 直流转换电路图7 图2 4r t c 电源电路图矗8 图2 5a d 转换器参考电压电路图8 图2 6 液晶屏背光电源电路图9 图2 7电源开关电路图9 图2 8 复位电路图9 图2 9 液晶屏接口电路图1 0 图2 10a d s 7 8 4 3 处理方式电路图1 1 图2 1 la d 转换器处理方式电路图1 1 图2 12网卡接口电路图1 2 图2 13r s 2 3 2 c 接口电路图13 图2 1 4u s b 主机接口电路图1 3 图2 1 5u s b 设备接口电路图1 3 图2 16 元件层截图l6 图2 1 7 地线层截图1 7 图2 18电源层截图17 图2 19 焊接层截图l8 图2 2 0 顶部涂层截图18 图2 2 1焊接前的电路板顶面图1 9 图2 2 2 焊接前的电路板底面图。1 9 图2 2 3 焊接完毕的电路板图2l 图3 1图像捕捉模块流程图2 4 图3 2 监听过程示意图2 6 v 便携式电子白板的设计与实现 图3 3应答过程示意图2 9 图3 4p c 机接收线程流程图3 0 图3 5电子白板接收过程流程图3l 图3 6电子白板运行情景图3 5 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得囱墓直态堂及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：筮墨指导教师签名：主二! 童是 日期： 竺芝星：! ：! ! 日 期：2 塑照! 丕：2 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学 位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编 入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护 学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在 学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文， 版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：筮叠耋 日期： 竺! 篁：! ：! ! 指导教师签名：主卫薹垒 内蒙古大学硕士学位论文 1 1背景 第一章绪论帚一早三百t 匕 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它具有系统内核小、专用性强、 系统精简等特点。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户 的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。随着信息化，智 能化，网络化的发展，嵌入式系统技术已经广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、机器人 等众多领域。【1 】 电子白板是一种新型的计算机输入设备，是汇集了电子技术、软件技术等多种技术手段研发 的高新技术产品。它通过应用电磁感应原理，结合计算机和投影机，可以实现无纸化办公及教学。 电子白板由普通白板发展而来，最早出现的电子白板为复印型电子白板，随着技术的发展及市场 的需要，出现了交互式的电子白板。目前市场上这两种电子白板并存，以下分别介绍这两类电子 白板。 复印式电子白板：所谓复印式电子白板即通过用户的简单操作便可将白板上书写的内容 通过一定的方式扫描并打印出来。其功能完成过程与普通的复印过程一样，首先由图像 传感器件对白板上的内容进行采集，采集信号经过一定的图像处理后，最后用热敏、喷 墨或其他打印方式输出。 交互式电子白板：交互式电子白板可以与电脑进行信息通讯，将电子白板连接到p c 并 利用投影机将p c 上的内容投影到电子白板屏幕上，在专门应用程序的支持下，可以构 造一个大屏幕、交互式的协作会议或教学环境。利用特定的定位笔代替鼠标在白板上进 行操作，可以运行应用程序，可以对文件进行编辑、注释、保存等在计算机上利用键盘 及鼠标可以实现的任何操作。交互式电子白板工作原理分为压感原理和激光跟踪原理两 种。【2 】 本文设计的便携式电子白板属于交互式电子白板的一种。如无特殊说明，本文后面提到的电 子白板均指的是交互式电子白板。 便携式电子白板的设计与实现 1 2 选题依据 随着多媒体教学的普及，越来越多的学校有了自己的多媒体教室。电子白板作为一种多媒体 教学设备已经出现在市场上。然而，市场上的电子白板产品大多为传统黑板的替代品。这类产品 尺寸较大，对安装环境有较高要求且购买成本相对较高。市场上也有一些小型电子自板，但是此 类产品通常只具有手写功能而不具备图像输出功能，使用者只能以电脑屏幕等其它参照物作为书 写时的参照。“在一个地方写，在另一个地方看 并不符合大多数人传统的书写习惯。 书写屏也是一种能兼顾图像显示和手写输入的产品。该类产品的尺寸多为l5 1 7 寸，通过 v g a 接口和u s b 等接口连接p c 主机。v g a 接口用于传输图像，u s b 等接口用于传输触摸信 号。不过此类产品受限于连线的长度，与p c 主机的距离一般不超过2 米，也就是说使用者要在 p c 机附近操作。这可能会使教师在讲授过程中频繁往返于讲台和p c 机之间，给教师带来不便。 1 3 系统设计方案 便携式电子白板( 下文简称为“电子白板 ) 的出发点就是将大尺寸电子白板“所写即所见” 的特点和微型电子白板“便携”的特点相结合，并且能够提供较长距离的连线( 以后可能使用无 线连接) 。这样设计不仅符合大多数人传统的书写习惯，系统较小的体积还能简化安装过程、扩 大使用场合。本设计还能够与投影设备配合使用，实现大尺寸电子白板的效果。安装本系统对原 有投影设备不需要做任何改动，可以最大程度保护原有投资。 电子白板的软件设计思路有使用专用程序和不使用专用程序两种。前者可以设计有更多特色 功能( 如保存笔迹等) ；后者可与其它软件配合从而具有更广的应用范围。有些电子白板可以在 不同的工作模式间切换以兼备上述两种思路的特点。本文设计的电子白板主要功能是辅助 p o w e r p o i n t 演示，软件部分实现建立连接、传输数据等功能，暂不提供特色功能。 电子白板使用触摸屏输入、使用液晶屏输出图像。系统可以控制p o w e r p o i n t 演示过程中的 翻页，也可以对正在演示的内容进行勾画、注释等。系统对手写笔没有特别要求，可以用笔或笔 状物书写，也可以用于指书写。 电子白板需要与p c 机连接通信，工作原理如下：在p c 机运行自制程序捕捉p o w e r p o i n t 的 演示图像，压缩后传送给电子白板；电子白板将图像解压缩后输出至自身的液晶屏显示。同时电 子白板将捕获到的触摸屏的动作传送给p c 机；p c 机将接收到的信息转化成鼠标事件发送给操 2 内蒙占大学硕士学位论文 作系统从而影响p o w e r p o i n t 的演示过程。 本设计包含硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计包括原理图设计、p c b 设计等；软件 设计包括运行于p c 机的程序设计和运行于电子白板的程序设计两部分。 便携式电子白板的设计与实现 2 1 硬件方案设计 第二章硬件设计 电子白板最丰要的功能就是显示图像和手写输入。电子白板上显示的图像是p c 机传送来的。 为了尽量减少电子白板显示图像相对p c 机显示图像的滞后，电子白板与p c 机之间要有较高的 通信速度。另外，显示的图像要有一定精度，也就是液晶屏的分辨率不能太低。在显示图像的同 时，电子白板还需要有触摸屏用以捕捉用户的手写动作。考虑到实现的复杂程度，电子白板与 p c 机的连接采用有线网络。最后，电子白板应该具有方便调试的接口。 综合以上需求，决定电子白板硬件组成如下： a l 蝴9 架构的嵌入式微处理器； 1 0 0 m b p s 的有线网卡； 至少能达到6 4 0 4 8 0 分辨率的液晶屏； 与液晶屏尺寸配套的触摸屏； r s 2 3 2 c 串口； u s b 接口( 扩展使用) ； 外部直流电源。 2 2 硬件主要模块简介 根据硬件方案设计，硬件系统按功能主要分为以下八个模块： 核心板模块：负责系统与应用程序的存储和运行； 电源模块：负责为整个硬件系统提供电源； 开关及复位模块：负责系统的启动关闭以及复位； 显示模块：负责液晶屏的数据输出； 触摸屏模块：负责捕获触摸屏的动作； 网卡模块：负责网络部分处理； r s 2 3 2 c 串口模块：负责r s 2 3 2 c 串口部分处理； 4 内蒙古大学硕士学位论文 u s b 模块：负责u s b 部分处理。 考虑到焊接难度，以上模块中除核心板模块采用现有的产品外，其余模块均自行设计、焊接。 设计过程参考了北京博创兴业科技有限公司产品u p n e t a r m 2 4 1 0 s 提供的实验指导书【4 1 、硬件 说明书【5 1 和电路原理刚6 1 。 2 3 原理图设计 原理图设计是最基本的用户设计之一，它不仅提供了电路的逻辑连接关系，也为p c b 设计 等工作提供了逻辑基础川。本设计的原理图使用p r o t e ld x ps e r v i c ep a c k2 制作，图中的部分元 件原理图是自行绘制。原理图库的具体绘制方法本文不再赘述。下面分别介绍本设计各模块的原 理图。 2 3 1 核心板模块 由于电子白板涉及网络数据传输、图像显示、触摸屏动作处理等多种操作，而且要尽可能减 小使用者感觉到的延迟，所以处理器要有较快的处理速度。系统最终选用的核心板模块是北京博 创兴业科技有限公司产品u p - n e t a r m 2 4 l o s 实验台的核心板。该核心板采用s o d i m ms o c k e t s f o r2 0 0 一p i nd d rm o d u l e2 5 v 标准接口，主要部件如下： 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器。该处理器是a r m 9 2 0 t 结构1 6 3 2 位r i s c 嵌入式 微处理器，最高主频2 0 3 m h z ； 现代公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0s d r a m 。该芯片为4 b a n k 4 m 1 6 b i t 动态d r a m ； 三星公司的k 9 f 1 2 0 8n a n df l a s h 。该芯片为6 4 m 8 b i t 非线性f l a s h 存储器； 3 2 7 6 8 k h z 晶振提供r t c 时钟，1 2 m h z 晶振提供$ 3 c 2 4 1 0 主时钟。 本设计使用了核心板的部分地址总线、部分数据总线和部分控制总线，并使用了下列接口： l c d 控制器、a d 转换器、触摸屏接口、u a r t 接口、u s b 接口。核心板使用到的引脚定义如 图2 1 。 便携式电子白板的设计与实现 v 叩3 3 l a 0 l a b l a 8 l 1 0 l a l 2 l a l d a l - a o l d a t a 2 l d t a 4 l d t a 6 l n 、n 日0 n s l r c k c d c l k i s s d o l d a t a 9 l d a t a l l l d a t a l 3 l d a t a l 5 l d a t 1 7 l d t a l 9 u d t a 2 i l d t l d t 2 s l d t 2 7 l d t 2 9 l d t 舢i l n w b d m | s o i m o s i i $ p i c l k o s p i c u c l 惦s l i i s s i i _ g c s 2 i g c 辩 v d d l 0 l l o e t o u l 3 t o l r r l n x b c l ( n x d c k i i i ，( d a c l ( 0 l a l 6 l i l l 2 0 l a 2 2 l ” l a 2 6 v h s v c l x v d 0 v d i v d 2 v d ， v d 4 懈 v d 6 v d 7 v d s v d 9 v d i o v d i l v d l 2 v d l 3 v d l 4 v d v d l 6 v d l 7 v d l 0 v d l 9 v d v d 2 l v d 2 2 v d 2 1 s d ( 1 蔗 s d f h 巾 s d d t o s d d t i s d d t 2 s d d t 3 c l k o u t l a 二k o u 伯 t x d 0 g p h 0 t ) 2 s o w p e i n 丁4 e l n l b f l e 嘞 证喂e 1 i a 岫 a 刷2 a i n 4 a 脯 v 呵 g n d l l l 3 l 5 l a 7 l a 9 l a i i l a l l l 1 5 l d t a l l d t 3 l d 1 a 5 l d a t a 7 l n w b e n s s c “ i i s s d i u ) t a s u ) t 1 0 0 d t 1 2 l d t l d t a l 6 l d t 1 8 u ) t 2 0 l d t 2 2 l d t a 2 4 l d t 2 6 l d a t m l d a t a 3 0 l n b e 2 g n d s o o m o s l 0 i 雌s 盯 i i c s d c s c l n g c s i “b c s 3 “b c s 5 g n d l n w e t o 帆 1 d u t 0 n 唧 n x d r e o l a x d r e q o l j 7 l 1 9 l z i l l a 2 5 l n w a i t v f v s v m - v d e n e i n t o e i n t i e i n t 2 e i h r r 3 e 州n e i n t 9 g p g s g p g 9 ( * ，g 1 0 p w r e n t c l k o t c l k i n 1 w t c k 邶 t d i t d 0 g p c 5 l e n d g p c 7 g p c 6 n c n c n c n y p o n x m o n y m o n n x p o n d u s b d + d u s b d h u s b d + h u s 8 d - r x d o g p h i r x d 2 坞1 d u t e i t 5 e i h r 丌 f c l e m 证慨 r ) 旺，l a i n l a 1 q 3 州5 州7 v d d r l 图2 1 核心板引脚定义图 f i g u r e2 1 c o r eb o a r dp i na s s i g n m e n t s 6 群一 一一一一嘏一加一他一一 一一一一。一。一。一一一一一一。一。一i一。一一一一一一一一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一 i一。一一一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一。一一一一一。一。一。一一一一一一一。一。一一一一 昔 4 盎 一一一一一一m一一m一一一一一一一一一一mmm一一一mmm一一一m一三一mm一一m一一mm一一mmm一一 内蒙占大学硕士学位论文 2 3 2 电源模块 系统中涉及到的工作电压及主要用途如下： v c c 5 ，5 v ，为l c d 的背光逆变器及u s b 设备提供电源； v d d 3 3 ，3 3 v ，为大多数芯片提供电源并提供逻辑“高”； v d d l 8 ，1 8 v ，为核心板提供电源； v r e f ，为a d 转换电路提供参考电压。 系统选用交流直流适配器作为输入，电压5 v ，分别经d c d c 芯片l m l 0 8 5 3 3 和a s l1 1 7 1 8 转换得到3 3 v 和1 8 v 电压。为保证电压输出质量，需要在两个芯片的输出端并联电容。原理图 分别见图2 2 和图2 3 。 l m l 0 8 5 3 3 图2 25 v - 3 3 v 直流转换电路图 f i g u r e2 2 5 v - 3 3 vd cc o n v e r t e rc i r c u i t gnd 3 1 0 4 8 【j n d 图2 35 v - 1 8 v 直流转换电路图 f i g u r e2 3 5 v - 1 8 vi x ；c o n v e r t e rc i r c u i t r t c ( 实时时钟) 电路的工作电压在1 8 v 左右，由3 3 v 或钮扣电池分别经过两个串联的 b a v 9 9 降压后得到。b a v 9 9 的二极管结构可以确保系统加电时由3 3 v 供电、系统断电时由电池 供电。r t c 电源电路如图2 4 。 7 一；o一一 便携式电子白板的设计与实现 3 v 纽扣电池插座 v d d 3 3v d d r t c 【j n d 图2 4r t c 电源电路图 f i g u r e2 4 l u p o w e rs u p p l yc i r c u i t 系统需要a d 电路配合触摸屏工作。a d 电路的参考电压由v d d 3 3 通过电位器分压得到。 因为模拟电路对电压的稳定性有较高要求，所以v d d 3 3 在接电位器之前需要串接磁珠并跨接电 容。a d 转换器电源电路如图2 5 。 v d d 3 3 g n d 图2 5a d 转换器参考电压电路图 f i g u r e2 5 a d cr e f e r e n c ev o l t a g ec i r c u i t 液晶屏背光在工作时需要上百伏的驱动电压，由液晶屏配套的逆变器提供。该逆变器的输入 为5 v 直流电，输出经测试为5 5 0 v 左右的交流电压。液晶屏背光电源电路如图2 6 。 8 内蒙古大学硕士学位论文 帆酊g o 器u t 塾j l c = d 秕 如 刖竺塑茹妥如 2 3 3 开关及复位模块 图2 6 液晶屏背光电源电路图 f i g u r e2 6 l c db a c l d i g h tp o w e rs u p p l yc i r c u i t 系统的电源为外接的+ 5 v 直流电源。为防止直流电源的极性接反给系统内部电路造成损害， 需在开关前接一个二极管。系统的加电、断电由单刀双掷的拨动开关控制。开关电路如图2 7 。 图2 7 电源开关电路图 f i g u r e2 7 p o w e rs w i t c hc i r c u i t 复位电路主要由按钮开关和i m p 8 1 l 芯片组成。i m p 8 1 l 芯片无需外围电路并带有一定的防 抖功能。当按钮开关按下后，i m p 8 1 l 芯片就会产生处理器复位的n r e s e t 信号。本系统选用 i m p 8 11 - t 型号，域值电压3 0 8 v 。网卡的复位信号高有效，需要将n r e s e t 信号经7 4 h c 0 4 芯 片反转后得到。复位电路如图2 8 。 v d d 3 3 图2 8 复位电路图 f i g u r e2 8 r e s e tc i r c u i t 9 便携式电子白板的设计与实现 2 3 4 显示模块 为了兼顾显示效果和便携性，系统选用夏普的8 寸彩色液晶屏l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 。该屏幕的分 辨率为6 4 0 4 8 0 ，支持显示方向调整，需要外置电源支持背光灯管工作。液晶屏与系统的连接 有：数据线( v d 3 一v d 7 、v d l 0 - v d l 5 、v d l 9 一v d 2 3 ) 和控制线( v c l k 、v l h s 、v f v s 、 v m v d e n ) 。液晶屏接口电路如图2 9 。 g n d a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 h c 2 4 5v d d 3 3 、l 皿 b o b l b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 凑 磊 g n dh c 2 4 5v d d 3 3 鼍兰圭一趸t r v c c g n d v d t d 3 3 t = 工1 9 o e 跏t a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 粤g n d 上， g n d g n d 2 3 5 触摸屏模块 h c 2 4 5v d d 3 3 v 咒苴 b 0 b l b 2 b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 图2 9 液晶屏接口电路图 f i g u r e2 9 l c di n t e r f a c ec i r c u i t l c d 3 2 l c d v c l k2 l c 】v 1 s3 l c d v - v s4 5 6 l c d v d l 97 l c 【) v d 2 0 8 l c l ) v ) 2 l 9 l c d v d 2 21 0 l c l ) v i ) 2 31 1 1 2 l c d v d l 0 1 3 l c 【) v i ) 1l1 4 l c d v d l 21 s l c d 【) j31 6 l c l ) v i ) j 4 1 7 l c d v d j51 8 1 9 2 0 l c d v d 31 1 l c d 【) 4 i ，cr ) f ) 52 3 l c f ) v i ) 2 4 【，c d v d 72 5 2 6 l c n v m v d e n2 7 m d 3 32 8 tj 2 9 h s h l f l 一 3 0 v s h l f t3 1 3 2 g n d 触摸屏按照工作原理可分为电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式等。为了匹配液 晶屏尺寸并考虑实现成本，系统选用8 寸电阻式4 线触摸屏。触摸屏信号的处理可选择由 a d s 7 8 4 3 芯片处理或者由$ 3 c 2 4 1 0 内部的a d 转换器处理，该选择通过一组跳线决定。如使用 芯片a d s 7 8 4 3 ，则片选信号使用g p g l 2 ，中断请求连接e i n t 5 ；如使用$ 3 c 2 4 1 0 内部的a d 转 换器，则触摸屏信号经f d c 6 3 2 1 后接入a i n 5 和a l n 7 引脚。两种处理方式的电路图分别如图 1 0 然噩器黼雹燃 内蒙古大学硕士学位论文 2 1 0 和图2 1 1 。 v d d 3 3 v d d 3 3 v d d 3 3a d $ 7 8 4 3 v d d 3 3 l o k t i1 5t7 8 4 3c s 1 1 0 v c cc s 1 6一s p i c l k q g n d i 6 v c cd c l k g n d d d j 1 4 m o s l 0 t s x p7 8 4 32 d o u t 1 2 m i s 0 0 t s 3 7 p7 8 4 33 x +b u s y 1 3 t s x m7 8 4 34 y + l le r n t 5 x - p e n i r q t s 、，m7 8 4 35 y - z i n 3v l e f 9 墨 i n 4 三 g n d 图2 1 0a d s 7 8 4 3 处理方式电路图 f i g u r e2 1 0 a d s 7 8 4 3h a n d l i n gc i r c u i t 1 0 k 2 3 6 网卡模块 图2 1 1a d 转换器处理方式电路图 f i g u r e2 11 a d ch a n d l i n gc i r c u i t g n d 由于电子白板与p c 机的通信全部通过网线，所以对网络传输的速度有较高要求。系统最终 选用a x 8 8 7 9 6 作为网卡的主控芯片。该芯片支持1 0 0 m b p s 全双工的传输速率，可提供1 6 b i t 的 便携式电子白板的设计与实现 数据宽度。a x 8 8 7 9 6 使用n g c s 2 作为片选，中断请求连接e i n t 2 ，复位信号由n r e s e t 反向后 得到。芯片与总线的连接有：地址线( l a 0 l a 9 ) 、数据线( l d a t a 0 l d a t a l 5 ) 和控制线( l n o e 、 l n w e 、l n w b e l ) 。网卡接口电路如图2 1 2 。 2 3 7r s 2 3 2 c 模块 图2 1 2网卡接口电路图 f i g u r e2 1 2l a ni n t e r f a c ec i r c u i t 电子白板通过d b 9 接口与p c 机连接。r s 2 3 2 c 模块的收发器使用m a x 3 2 3 2 。该芯片最高 支持2 5 0 k b p s 的传输速率，外围电路连接简单。芯片的t i l n 和r 1 0 u t 分别接核心板的t x d 0 和r x d 0 引脚即可。r s 2 3 2 c 接口电路如图2 1 3 。 2 3 8u s b 模块 系统为扩展保留了u s b 接口。主机接口电路中使用的主控芯片是a t 4 3 3 0 1 。该芯片支持 u s b i 1 规范，可提供最多四路下行流接口。接口的供电采用总线供电模式，由芯片m i c 2 5 2 5 提 供电源。芯片与系统的连线有h u s b d + 和h u s b d 。u s b 主机接口电路如图2 1 4 。u s b 设备接 口直接接入芯片的相应引脚，无需外围芯片，只需上拉电阻、下拉电阻各一个。数据线d u s b d + 和d u s b d 直接与核心板接1 2 1 的相应引脚相连。u s b 设备接口电路如图2 1 5 。 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 m a x 3 2 3 2v d d 3 3 = 1 0 4串口插座 丰上 c c 1 v 蔓v + 一， 1、 v 0 4f q+u鲁c2 6 一 1 1 7 - g n d 3 v 1 0 8 o ，11 4 g n d4 v 一 r x d o 1 2 二 t ，= n 1 1 n it 9 o g l 一! q ：= 二= y 1 = ：= 75 v 2 t 2 1 nt 2 0 u t互8 r 2 0 u t r 2 i n 上乡 一西! i b 图2 1 3r s 2 3 2 c 接口电路图 f i g u r e2 13 r s 一2 3 2 ci n t e r f a c ec i r c u i t g n d gnd 图2 1 4u s b 主机接口电路图 f i g u r e2 14 u s bh o s ti n t e r f a c ec i r c u i t v d d 3 3 g n d 图2 1 5u s b 设备接口电路图 f i g u r e2 15 u s bd e v i c ei n t e r f a c ec i r c u i t 1 3 便携式电子白板的 设计与实现 2 4p c b 设计 p c b 是p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，即印刷电路板的简称，印刷一词来自于早期的工艺流程。一般 说来，p c b 图是p r o t e ld x p 设计过程的终极目标，也是最为复杂的过程【7 1 。本设计的p c b 图使 用p r o t e ld x ps e r v i c ep a c k2 制作，图中部分元件的p c b 封装需要自行绘制。p c b 封装的具体绘 制方法本文不再赘述。 2 4 1 电路板设计原则 电路板设计的一般原则包括：板材选用、板层选择、板厚决定、尺寸确定、元件布局、布线、 填充等。 电路板一般用敷铜层压板制成。板层选择时要从电气性能、可靠性、加工工艺要求和经济指 标等方面考虑。$ 3 c 2 4 1 0 的总线频率可达1 0 0 m h z ，对电气性能有较高的要求。为保证可靠性并 考虑经济因素，本设计采用四层电路板。 电路板的厚度应该根据电路板的功能、所装元件的重量、电路板插座的规格、电路板的外形 尺寸和承受的机械负荷等来决定。由于本设计中的液晶屏尺寸较大且需要同电路板一起固定，故 要求电路板有一定的强度。最终决定电路板的厚度为2 0 m m 。 电路板尺寸应从成本、抗噪声能力、散热、机械固定等方面考虑。电路板的最佳形状是矩形， 长宽比为3 ：2 或4 ：3 。本系统包含一个8 寸液晶屏，电路板的大小可与之接近。考虑到开关、测 试点的摆放等因素，最终决定电路板的尺寸为1 9 3 m m x1 3 2 m m 。 元件的布局应首先考虑特殊元件。这里指的特殊元件包括：高频元件、具有高电位差的元件、 重量太大的元件、可调节元件以及接口元件等。特殊元件的布局从以下几个方面考虑： 高频元件：高频元件之间的连线越短越好，设法减小连线的分布参数和相互之间的电磁 干扰，易受干扰的元件不能离得太近。隶属于输入和隶属于输出的元件之间的距离应该 尽可能大一些： 具有高电位差的元件：应该加大具有高电位差元件和连线之间的距离，以免出现意外短 路时损坏元件。带有高电压的器件，应该尽量布置在调试时手不易触及的地方； 重量太大的元件：此类元件应该有支架固定； 可以调节的元件：对于开关、电位器等可调元件的布局应该考虑整机的结构要求，放在 1 4 内蒙古大学硕士学位论文 容易操作的地方； 接口元件：系统成形后应当方便使用。 本设计中，核心板模块、网卡模块、u s b 模块是几个频率较高的区域，为液晶屏提供背光 电压的电路具有较高的电压，布局时都应留意。开关、各种接口的位置也应该先确定。由于液晶 屏与电路板固定在一起，需要在布局时留下支架的安装孔。布局时还要使元件与板边缘有一定的 距离，目的是防止加工引起电路板边缘破损。 布线时铜膜线应尽可能短，拐弯处应为圆角或斜角。相邻层的导线应尽量垂直，以减少寄生 电容。铜膜线的宽度应以能满足电气特性要求而又便于生产为准则，通常不小于0 2 m m 。一般 情况下，1 1 5 r a m 的铜膜线允许流过2 a 的电流。地线和电源线最好选用大于l m m 的线宽，且 地线比电源线略粗。相邻铜膜线的间距应该满足电气安全要求。 泪滴焊盘在高频电路中较为常用。它不仅可以提高焊盘的抗剥离程度，还可以防止线与焊盘 接触点太小导致信号传输出现问题。 大面积的敷铜可以起到屏蔽干扰的作用。为防止铜箔粘胶焊接的时候产生的气体使铜箔起 泡，可以在敷铜区域上开孔或者使用网格敷铜。 2 4 2 高频布线原则 为了使高频电路板的设计更合理，抗干扰性能更好，在进行p c b 设计时应从以下几个方面 考虑： 合理选择层数：利用中间内层平面作为电源和地线层可以起到屏蔽的作用，有效降低寄 生电感、缩短信号线长度、降低信号间的交叉干扰，一般情况下，四层板比两层板的噪 声低2 0 d b ； 走线方式：走线必须按照4 5 。角拐弯，这样可以减小高频信号的发射和相互之间的耦合； 走线长度：走线长度越短越好，两根线平行的距离越短越好； 过孔数量：过孔数量越少越好： 层间布线方向：层间布线方向应该取垂直方向，就是顶层为水平方向，底层为垂直方向， 这样可以减小信号间的干扰； 敷铜：增加接地的敷铜可以减小信号间的干扰； 包地：对重要的信号线进行包地处理，可以显著提高该信号的抗干扰能力。当然还可以 镕，m _ j 自k * s 女m 对t 扰源进行包地处理使其币能干扰其它信号： 信号线：信号走线小能环路，需要按照菊花链方式布线： 士耦电容：在集成电路的电源端接上耦电容： 高频扼流：数字地、模拟地等连接公共地线时要接高频扼流器件，一般是中心孔穿有导 线的高频铁氧体磁琮。1 8 1 2 43p c b 图 按照上文提到的布线规则及注意事项，电了白板设计p c b 图使用的布线规则为：线宽最小 l o m i l ，最大1 0 0 m i l ：线问距最小75 m i l ，最大2 0 m i l ：过孔山径i5 r a i l ，外径3 0 m i l ；拐角风格 4 5 。布线完毕后的电路图如下( 元什层截圈如图21 6 、地线层截图如图21 7 、电源层截图如蚓 218 、焊接层截圈如图21 9 、顶部涂层截圈如罔2 2 0 ) ： 图2 1 6 ，巳件层截臼 f i g u r e21 6c o m p o n e n tl a y e r 圈2 i7 地线层截囤 f i g u r e2 7 g r o u n dl a y e r 圈2 i8 电源层截囵 f i g u r e2 8 p o “e r l a y e r 图2 1 9 悍接层碱幽 f i g u r e21 9s o l d e r l a y e r 图22 0 硕鄙潦层哉图 f i g u r e2a ) l b p o v e r l a y 象 mj 寸z 25 元件焊接 电路扳取回后，应首