江蘇自動(dòng)化研究所 許凱熙

本文提出了一種抗惡劣環(huán)境的移動(dòng)終端設(shè)計(jì)，從總體設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各方面進(jìn)行了闡述，可為抗惡劣環(huán)境的移動(dòng)電子設(shè)備設(shè)計(jì)提供一種借鑒方法。本設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端可提供便捷的綜合操控、信息通信、人機(jī)交互能力，并可通過(guò)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化和采用開放的軟件體系結(jié)構(gòu)來(lái)支持臺(tái)位功能重定義和系統(tǒng)功能動(dòng)態(tài)重組，通過(guò)配置不同的共性軟件模塊和加載不同的應(yīng)用軟件模塊，可滿足特殊行業(yè)、特殊環(huán)境下系統(tǒng)對(duì)信息處理、操作、控制、人機(jī)交互的需要。

本文提出了一種移動(dòng)終端抗惡劣環(huán)境的設(shè)計(jì)，選用主流的10.4 in規(guī)格，下面從總體設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)思路是采用當(dāng)前主流的10.4 in移動(dòng)終端配置作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以設(shè)備的性能和整機(jī)散熱設(shè)計(jì)為主線，兼顧低溫啟動(dòng)設(shè)計(jì)，并對(duì)屏和電池在低溫下工作的特殊處理工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保整機(jī)性能和可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)需求。在PCB尺寸允許的前提下，盡可能多的采用板貼器件和模塊。預(yù)留足夠的擴(kuò)展空間，為WIFI模組、存儲(chǔ)介質(zhì)、安全可信模塊的嵌入提供足夠的擴(kuò)展連接器。主板的擴(kuò)展電路采用通用的接口定義和總線方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的移動(dòng)終端外觀造型，如圖1所示。

圖1 移動(dòng)終端外觀造型

2 硬件設(shè)計(jì)

10.4 in移動(dòng)終端硬件基于Intel Celeron? Processor處理器并采用全加固設(shè)計(jì)，在達(dá)到抗惡劣環(huán)境的同時(shí)提高整機(jī)的便攜性；機(jī)身設(shè)計(jì)預(yù)留多種可擴(kuò)展接口，為增強(qiáng)配置集成模塊時(shí)預(yù)留空間；硬盤選用SATA接口的寬溫SLC固態(tài)硬盤，提高設(shè)備使用過(guò)程中的抗震能力。

2.1 核心主板

10.4 in移動(dòng)終端核心主板CPU，采用英特爾最新低功耗嵌入式CPU N2930搭配4GB LPDRR3和120GBmSATA組成硬件平臺(tái)的系統(tǒng)基礎(chǔ)。

固件采用AMI最新架構(gòu)的UEFI BIOS作為WIN7與計(jì)算機(jī)底層硬件以及輸入輸出的外部設(shè)備的接口，EC作為整個(gè)系統(tǒng)的電源與時(shí)序控制，滿足時(shí)序設(shè)計(jì)的要求，也可以通過(guò)EC實(shí)現(xiàn)一些其他的特殊功能要求。

主板處理器與各功能模塊通過(guò)對(duì)應(yīng)的芯片組完成信號(hào)的生成與讀取，具體描述如下：

顯示：通過(guò)CPU核心集成的顯示模組完成EDP LCD+micro HDMI，其中EDP為10.1 in顯示器的數(shù)字接口，micro HDMI為本機(jī)輸出到外部顯示器的高清信號(hào)輸出口，該信號(hào)也由CPU內(nèi)核完成；

存儲(chǔ)：通過(guò)CPU核心集成的存儲(chǔ)讀取與處理層實(shí)現(xiàn)TF卡+mSATA，其中TF（即MicroSD卡）為本機(jī)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)或身份驗(yàn)證卡的接入，mSATA接口為CPU核心SATA通道為本板提供的系統(tǒng)裝載和讀取界面；

網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)CPU核心的PCIe×1通道擴(kuò)展Intel Lan 82574IT芯片，實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)的接入；

聲卡：通過(guò)CPU核心的HAD通道擴(kuò)展ALC269芯片，實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)信號(hào)的接入和內(nèi)置揚(yáng)聲器的信號(hào)輸出；

內(nèi)存：通過(guò)CPU核心的DDR3雙通道實(shí)現(xiàn)板載4GB內(nèi)存；

觸摸屏：通過(guò)CPU核心的USB通道集成電容式觸摸屏；

WIFI：通過(guò)CPU核心的PCIe×1通道擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)PCIe無(wú)線WIFI網(wǎng)卡。

2.2 擴(kuò)展模塊

主板通過(guò)miniPCIe接口擴(kuò)展方式實(shí)現(xiàn)WIFI、安全可信等模塊的嵌裝，并通過(guò)BIOS底層，驅(qū)動(dòng)該模塊的可靠運(yùn)行。

WIFI模組采用安全可信計(jì)算模塊，本設(shè)計(jì)采用航天706所的產(chǎn)品，該模組對(duì)設(shè)備進(jìn)行可信增強(qiáng)，保證設(shè)備平臺(tái)的可信；同時(shí)，利用安全模塊作為用戶身份識(shí)別卡，卡和用戶綁定；提供密碼服務(wù)，實(shí)現(xiàn)WAPI安全連接和通信（WAI和WPI）。采用MiniPCIe安全模塊加MICROSD身份認(rèn)證卡模式。

MiniPCIe插接在筆記本內(nèi)部，MICROSD身份卡和用戶綁定，存有用戶證書等信息，安裝上考慮方便用戶插拔，機(jī)器啟動(dòng)后，MiniPCIe安全模塊和MICROSD身份卡之間建立一個(gè)安全信道，進(jìn)行身份認(rèn)證。本機(jī)調(diào)用密碼服務(wù)等均由MiniPCIe安全模塊實(shí)現(xiàn)。其硬件配置情況，如表1所示。

表1 主要硬件配置表

3 軟件設(shè)計(jì)

10.4 in移動(dòng)終端的軟件體系主要包括核心層和中間層，其中中間層包括CORBA中間件、設(shè)備支持中間件和通用支撐中間件,10.4 in移動(dòng)終端軟件層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，各層軟件的具體定義如下。

圖2 移動(dòng)終端的軟件體系圖

3.1 核心層

核心層構(gòu)建在硬件設(shè)施之上，主要包括操作系統(tǒng)、硬件模塊/設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和安全管理軟件等基本系統(tǒng)軟件。10.4 in移動(dòng)終端支持Windows7操作系統(tǒng)下的硬件加速，觸控手勢(shì)操作，分辨率調(diào)整等需要。適配中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)。

3.2 中間層

CORBA InterBus中間件主要提供上層應(yīng)用系統(tǒng)軟件對(duì)CORBA規(guī)范的支持。

設(shè)備支持中間件主要屏蔽硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)平臺(tái)帶來(lái)的差異，為二次用戶提供一個(gè)易于開發(fā)、統(tǒng)一管理、硬件透明的軟件運(yùn)行平臺(tái)，主要包括綜合圖形圖像顯示中間件、故障診斷測(cè)試中間件、表頁(yè)顯示中間件、專用操控模塊消息中間件、設(shè)備管理器等。

通用支撐中間件主要提供面向10.4 in移動(dòng)終端用戶的共性軟件，簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)軟件的開發(fā)，并隨多功能標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)的推廣使用逐步擴(kuò)充。主要包括多層疊加顯示、嵌入式瀏覽器（VxWorks操作系統(tǒng)下）、消息中間件、數(shù)據(jù)訪問(wèn)中間件和戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)顯示等。

此外，設(shè)備支持BIOS啟動(dòng)階段，在顯卡初始完成后，立即顯示定制的Logo圖片。BIOS在啟動(dòng)過(guò)程中，要對(duì)主板上的主要設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，如果此時(shí)顯卡未完成初始化，則BIOS通過(guò)主板蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；否則，BIOS將通過(guò)顯示器向用戶提示錯(cuò)誤信息。

4 電源設(shè)計(jì)

機(jī)身采用直流直接輸入，輸入電壓19V。采用外置電源適配器由220V、50Hz交流電轉(zhuǎn)換成19V、2.1A直流電。

底座內(nèi)置寬電壓適應(yīng)電路，可接入17.5V～30V電壓直流電，并內(nèi)置直流濾波器。

5 接口設(shè)計(jì)

5.1 主板接口

主板上提供的主要接口有：綜合輸入輸出接口、一個(gè)全副miniPCIe接口、電池接口、一個(gè)半幅MiniPCIe接口、一個(gè)MSATA接口等。其中MSATA和MiniPCIe卡接口，均在主板設(shè)計(jì)和殼體中專門設(shè)置了緊固件，以滿足整機(jī)的抗沖擊振動(dòng)指標(biāo)。

5.2 機(jī)身對(duì)外接口

（1）專用防水接口：底部36pin磁性接口；

（2）標(biāo)準(zhǔn)接口：左側(cè)防水門內(nèi)1×3.5mm DC_IN接口、右側(cè)防水門內(nèi)1×MicroSD接口、1×MicroHDMI接口。

5.3 底座對(duì)外接口

底座以防水航空插頭的方式提供一路直流電源輸入接口、一路網(wǎng)絡(luò)接口、2路USB接口、一路DP高清信號(hào)接口、一路擴(kuò)展CAN口。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

10.4 in移動(dòng)終端結(jié)構(gòu)采用鎂合金全加固設(shè)計(jì)，表面噴砂處理，并附高強(qiáng)度金屬烤漆，通過(guò)銅質(zhì)冷管設(shè)計(jì)，有效解決CPU和其他核心處理器的散熱問(wèn)題。為了使整機(jī)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)處理器有效散熱，殼體內(nèi)部將采用構(gòu)件支架的方案，將主板通過(guò)支架的過(guò)渡，有效的與殼體配合。

6.1 防淋雨設(shè)計(jì)

整機(jī)在對(duì)外接口、散熱模組、機(jī)殼接縫以及屏幕貼合等方面考慮淋雨產(chǎn)生的滲透風(fēng)險(xiǎn)。首先，機(jī)殼的結(jié)合面，均采用導(dǎo)電密封圈與前殼密封槽、后蓋密封筋緊密壓合（如圖3所示）。通過(guò)這個(gè)密封組合可以實(shí)現(xiàn)殼體結(jié)構(gòu)的防水氣密性要求。

圖3 前后殼體結(jié)合處密封槽結(jié)構(gòu)圖

同時(shí)，結(jié)合主板布局設(shè)計(jì)，通過(guò)防水保護(hù)蓋或防護(hù)門的設(shè)計(jì)，將對(duì)外連接器的面板與主殼體隔離，從而達(dá)到對(duì)外接口的多種組合。在整機(jī)全加固設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，通過(guò)設(shè)計(jì)、定制密封器件，并結(jié)合殼體上開放部位與密封器件配合的阻隔筋設(shè)計(jì)（如圖4所示），實(shí)現(xiàn)殼體、天線、對(duì)外接口的密封。

圖4 開放部位阻隔筋示意圖

6.2 抗沖擊設(shè)計(jì)

在機(jī)殼的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實(shí)現(xiàn)整體抗沖擊性能。其中，橡膠的硬度控制要確保足夠的彈性和外形的穩(wěn)定性。

在機(jī)殼內(nèi)設(shè)計(jì)限位裝置，阻擋硬盤、內(nèi)存、擴(kuò)展卡等活動(dòng)部件，避免因沖擊導(dǎo)致的器件松動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)的抗震、抗沖擊和防跌落性能。

6.3 便攜性設(shè)計(jì)

殼體采用輕質(zhì)堅(jiān)固的鎂鋁合金，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮減重設(shè)計(jì)，將整機(jī)的重量控制在850g之內(nèi)，從而達(dá)到良好的整機(jī)便攜型。整機(jī)部件組裝示意圖，如圖5所示。

圖5 整機(jī)部件組裝示意圖

在機(jī)殼的關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實(shí)現(xiàn)整體抗沖擊性能。其中，橡膠的硬度控制要確保足夠的彈性和外形的穩(wěn)定性。

在機(jī)殼內(nèi)設(shè)計(jì)限位裝置，阻擋硬盤、內(nèi)存、擴(kuò)展卡等活動(dòng)部件，避免因沖擊導(dǎo)致的器件松動(dòng)。

6.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

10.4 in移動(dòng)終端的所有元器件都選用軍品級(jí)/工業(yè)級(jí)、高品質(zhì)、高可靠性、長(zhǎng)壽命器件，符合環(huán)境適應(yīng)性要求。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減小印制板尺寸，采用高強(qiáng)度連接和多點(diǎn)加固方式，可提高設(shè)備抗沖擊、振動(dòng)的能力，能滿足沖擊振動(dòng)的要求。殼體之間加裝導(dǎo)電橡膠條，有效的增強(qiáng)顯示器的抗沖擊、振動(dòng)以及鹽霧、潮濕等能力。

針對(duì)高功耗的CPU采用熱管冷卻系統(tǒng)和獨(dú)立散熱區(qū)方案，有效解決CPU等高發(fā)熱器件的散熱。散熱通道與主板完全隔離，并確保IP65等級(jí)的防水能力。

6.5 安全性設(shè)計(jì)

機(jī)箱外形設(shè)計(jì)（人機(jī)界面處）盡量避免棱角、尖角，防止對(duì)人身造成傷害,產(chǎn)品機(jī)箱上有警示標(biāo)識(shí)，提示系統(tǒng)開關(guān)機(jī)、搬運(yùn)等的注意事項(xiàng)，防止操作不當(dāng)對(duì)系統(tǒng)造成損傷；系統(tǒng)中機(jī)箱殼地與信號(hào)地均隔離，防止因電源高端與機(jī)箱殼搭接造成產(chǎn)品損壞。電源設(shè)計(jì)有過(guò)流保護(hù)措施，以保證供電電源工作在非正常極限時(shí)慣組不被損壞；電路的設(shè)計(jì)采用成熟的、已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、可靠的印制板。

6.6 電磁兼容性設(shè)計(jì)

屏蔽設(shè)計(jì)主要靠機(jī)殼屏蔽及電纜屏蔽保證。屏蔽分為電場(chǎng)屏蔽與磁場(chǎng)屏蔽，對(duì)機(jī)殼屏蔽，連續(xù)高導(dǎo)電材料具有良好的電場(chǎng)屏蔽性能，連續(xù)高導(dǎo)磁材料具有良好的磁場(chǎng)屏蔽性能。由于殼體選用高導(dǎo)電的鎂鋁合金材料，只要做好基體表面導(dǎo)電處理并在連接側(cè)隙采用導(dǎo)電襯料就可較好的解決電場(chǎng)屏蔽問(wèn)題。目前，在該領(lǐng)域技術(shù)比較成熟的是殼體及面板表面采取鍍鎳等措施，依靠鎳層等的高導(dǎo)磁性能改善磁場(chǎng)屏蔽性能。對(duì)電纜屏蔽，通過(guò)選擇屏蔽電纜、雙絞線電纜，對(duì)電纜合理布局并外加防波套解決。在接地設(shè)計(jì)上，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的機(jī)殼地與信號(hào)地。在濾波設(shè)計(jì)上，應(yīng)優(yōu)選濾波器并合理設(shè)置濾波器位置。EMC在電路板進(jìn)行考慮和設(shè)計(jì)是降低電磁輻射、增強(qiáng)抗受擾能力的根本方法。主要考慮輻射的頻率、強(qiáng)度、阻抗、尺寸等。

在PCB制作的過(guò)程中，采取以下措施：

（1）電源板采用EMI濾波器，消除30Hz到50KHz的傳導(dǎo)干擾和15KHz到50MHz的輻射干擾；

（2）28V電源地（PGND）和數(shù)字地（DGND）隔離，二者通過(guò)電源模塊MGDM-18隔離，該模塊提供的隔離電阻大于100MΩ，電源模塊變換出二次電源5V，為接收機(jī)主機(jī)內(nèi)的數(shù)字電路工作供電；

（3）數(shù)字地（DGND）與模擬地（AGND）單點(diǎn)相連，數(shù)字電源D5V與模擬電源A5V也單點(diǎn)相連，A5V為接收機(jī)主機(jī)內(nèi)的模擬電路工作供電；

（4）數(shù)字地（DGND）與RS422、RS232信號(hào)地（GND1）隔離；導(dǎo)航板上選用了1個(gè)隔離式DC-DC模塊，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字地與RS422信號(hào)地的隔離；

（5）對(duì)中頻電路進(jìn)行金屬殼屏蔽，殼體接地；

（6）電路板設(shè)計(jì)是使相鄰信號(hào)層的信號(hào)走向垂直；電路去耦電容的引線盡量短，并且不形成扇型回路；各板接口的地劃分單獨(dú)隔離區(qū)域，與板子地單點(diǎn)連接。

6.7 散熱優(yōu)化

移動(dòng)終端采用全加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵處理器冷卻系統(tǒng)的冷管排布進(jìn)行優(yōu)化，可以通過(guò)紅外熱分布圖和熱曲線分析，確定并優(yōu)化整機(jī)的最佳散熱區(qū)域，使散熱區(qū)域遠(yuǎn)離關(guān)鍵發(fā)熱器件和不利于空氣流通的部位以及人體容易感知的部位。實(shí)現(xiàn)散熱區(qū)域與主板核心運(yùn)算區(qū)域的有效分離，使發(fā)熱器件可以借助金屬外殼進(jìn)行有效散熱。

結(jié)束語(yǔ)：移動(dòng)終端由主機(jī)、可拆卸電池、加固專用數(shù)據(jù)底座組成，該產(chǎn)品核心采用X86架構(gòu)，Intel Bay trail低功耗處理器，通過(guò)底部綜合接口與數(shù)據(jù)底座進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)的高速數(shù)據(jù)通信。移動(dòng)終端配置10.4 in 1920×1200的高分辨率顯示器，以及帶有防眩光、防反射鍍膜的多點(diǎn)觸摸電容屏。移動(dòng)終端僅在機(jī)身兩側(cè)布置了一路直流電源接入口、一路MicroSD卡和一路MicroHDMI接口。這三種接口均為商用標(biāo)準(zhǔn)連接器，以方便直接使用標(biāo)準(zhǔn)接頭或介質(zhì)與設(shè)備連接。為了防止潮濕空氣和水侵入沒(méi)有防水處理的商用連接器，接口外部需要設(shè)置防水保護(hù)蓋，以確保防水和濕熱環(huán)境要求。其余接口均由設(shè)備底部的綜合連接器負(fù)責(zé)輸出，該連接器具有防水性能。整機(jī)按鍵位于設(shè)備的上邊靠左側(cè)的位置，布置有三個(gè)按鍵，分別是：主機(jī)電源按鍵、亮度/音量增加鍵、亮度/音量減少鍵。通過(guò)三個(gè)按鍵可以實(shí)現(xiàn)多種組合功能，實(shí)現(xiàn)包括硬盤自毀、WIFI模塊開關(guān)等功能。經(jīng)過(guò)上述的獨(dú)特設(shè)計(jì)，可確保移動(dòng)終端在惡劣環(huán)境可靠穩(wěn)定的工作。