一種野外便攜式PAD的設計與實現

嚴緯華　莊東曙　丁寧

摘 要 本文設計開發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用性和安全性，包括支持3G/4G無線通信、無線Wifi、百兆以太網，支持北斗/GPS定位功能，具有符合IP54標準的防塵防雨淋和防振抗跌落的三防特點。針對關機待機功耗問題，設計并應用了一種待機微功耗電路，從而實現關機“零”功耗（毫瓦級）功能。

關鍵詞 PAD;三防;低功耗

引言

相比于傳統筆記本電腦，平板電腦的體積小、重量輕、功耗低，支持多模態輸入，并且具有較好的人機交互界面，更適合野外工礦條件下使用。在野外環境下，平板電腦可以在線同時操作多個便攜、移動應用，包括現場數據采集、移動數據交互、多種設備監測、中心測控調度、精確導航定位及實時通信功能[1]。

目前市面上的大多數平板電腦不具備無線漫游通信功能，且僅適用于家庭娛樂和普通環境辦公，一旦離開固定的使用場所，則難以使用其通信功能。此外，在一些特殊環境條件下，例如室外雨天、地震災區、煤坑礦井等，普通平板電腦的三防標準很難滿足上述的作業環境。文獻[2]介紹了一款無風扇、工業級平板電腦PPC-L62T，其工作溫度范圍、機身防水、防塵、抗震、抗沖擊的效果也出類拔萃，缺點是不具備漫游通信功能。文獻[3]介紹了一種基于安卓開發的專用平板電腦設計與實現，該款專用平板電腦僅支持3G信號，漫游移動通信速率較低。因此，開發一種能隨時隨地進行信息交流和信息處理，并且滿足野外便攜使用的工業化平板電腦（即PAD）顯得尤其迫切。

本文設計并開發了一款三防加固型PAD終端，其具有3G/4G移動通信功能，支持無線WI-FI、USB2.0和百兆以太網通信，具有北斗/GPS定位功能，設備支持Windows操作系統及應用，符合IP54標準，適合野外等特殊工礦條件下使用。

1整體設計

1.1 設備簡介

本文介紹的野外便攜式PAD，具有3G/4G移動通信功能，支持終端到中心的C/S典型系統架構應用。本案的PAD通過無線WI-FI、USB2.0和百兆以太網通信等通信方式，可以連接各類傳感器，具有將采集的實時數據信息及媒體處理數據通過廣域網發送給中心服務器，中心服務器通過數據分析對各個終端進行實時監控和調度。各終端以及中心服務器通過3G/4G無線網絡實現互聯互通。

1.2 設備組成

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）用戶數據線、LAN（航聯）用戶數據線。

平板電腦（PAD），由ATOM N455核心處理模塊、電路主板、3G/4G無線通信模塊、北斗/GPS定位模塊、Zigbee無線模塊、Wifi無線模塊、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）的整機性能指標參數，主要是：尺寸：29cm*20.9cm*2.8cm;主板：SOM-7562 B1;存儲：60GB SSD;顯示分辨率：1280*800 ;無線通信：3G/4G;局域網：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 ? ? ? ? ? ? ? 運行溫度：-10℃-+55℃。

定位精度：2.5m;以太網口：10/100M bps;USB 接口：USB 2.0。

電池容量：14.8V/4AH;整機功耗：20W;續航時間：3h。

1.3 核心板

本文選用研華公司設計開發的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凌動處理器，最高運行速度達到1.66GHz。該款核心板支持Windows操作系統，具有高性能、低功耗、可擴展性強的優點。

2主要技術特點

本文設計的野外便攜式PAD主要技術特點包括：集成多種無線通信體制、三防一體化工業結構設計和電源管理設計。

2.1 多模無線通信方式

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

本文設計的PAD集成上述多種無線通信體制，并且采用內置天線，其優點是系統結構緊密，但是內部諸多無線通信子系統同時工作時，存在互相影響、互相干擾的問題。因此采取多模天線CAD 預仿真及效率評估，優化布局及優化天線參數設計，并在硬件電路設計中采用模塊分割及模塊屏蔽措施，以及電路采用抗EMI設計措施，使其多模兼容工作時達到互相影響最小，即解決多模融合下的電磁兼容性問題。

2.2 三防一體化工業結構設計

現代電子產品趨向集成化的發展，使得產品精度和可靠性的重要性越來越大。國外研究表明，近五成的電子儀器設備運行不良是環境因素造成了，如濕度、溫度和振動三個因素導致電子設備運行不良高達43.58%[4]。因此，電子設備的三防設計十分重要。本文在設計PM760平板電腦時，主要考慮到防塵、防雨淋和抗震防跌落的三防特點。

（1）防雨淋防塵設計：設備的外接口，全部采用防水型航空連接器，使得設備與外部的連接接口實現防水功能。設備外殼的合攏面使用橡膠墊圈，其形狀類似于“O”形，優點是使用螺絲固定后，對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）防跌落抗震設計：防水航空連接器具有互鎖功能，防止設備受到震動時連接器脫落，提高連接可靠性。設備外殼的四個角添加橡膠保護墊，防止跌落時損壞。