一種抗惡劣環境的移動終端設計

江蘇自動化研究所 許凱熙

本文提出了一種抗惡劣環境的移動終端設計，從總體設計到結構設計等各方面進行了闡述，可為抗惡劣環境的移動電子設備設計提供一種借鑒方法。本設計的移動終端可提供便捷的綜合操控、信息通信、人機交互能力，并可通過軟硬件標準化和采用開放的軟件體系結構來支持臺位功能重定義和系統功能動態重組，通過配置不同的共性軟件模塊和加載不同的應用軟件模塊，可滿足特殊行業、特殊環境下系統對信息處理、操作、控制、人機交互的需要。

本文提出了一種移動終端抗惡劣環境的設計，選用主流的10.4 in規格，下面從總體設計到結構設計進行詳細的闡述。

1 總體設計

總體設計思路是采用當前主流的10.4 in移動終端配置作為設計依據，以設備的性能和整機散熱設計為主線，兼顧低溫啟動設計，并對屏和電池在低溫下工作的特殊處理工藝進行優化設計，確保整機性能和可靠性達到設計需求。在PCB尺寸允許的前提下，盡可能多的采用板貼器件和模塊。預留足夠的擴展空間，為WIFI模組、存儲介質、安全可信模塊的嵌入提供足夠的擴展連接器。主板的擴展電路采用通用的接口定義和總線方案進行設計。本設計的移動終端外觀造型，如圖1所示。

圖1 移動終端外觀造型

2 硬件設計

10.4 in移動終端硬件基于Intel Celeron? Processor處理器并采用全加固設計，在達到抗惡劣環境的同時提高整機的便攜性；機身設計預留多種可擴展接口，為增強配置集成模塊時預留空間；硬盤選用SATA接口的寬溫SLC固態硬盤，提高設備使用過程中的抗震能力。

2.1 核心主板

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

固件采用AMI最新架構的UEFI BIOS作為WIN7與計算機底層硬件以及輸入輸出的外部設備的接口，EC作為整個系統的電源與時序控制，滿足時序設計的要求，也可以通過EC實現一些其他的特殊功能要求。

主板處理器與各功能模塊通過對應的芯片組完成信號的生成與讀取，具體描述如下：

顯示：通過CPU核心集成的顯示模組完成EDP LCD+micro HDMI，其中EDP為10.1 in顯示器的數字接口，micro HDMI為本機輸出到外部顯示器的高清信號輸出口，該信號也由CPU內核完成；

存儲：通過CPU核心集成的存儲讀取與處理層實現TF卡+mSATA，其中TF（即MicroSD卡）為本機擴展外部存儲或身份驗證卡的接入，mSATA接口為CPU核心SATA通道為本板提供的系統裝載和讀取界面；

網絡：通過CPU核心的PCIe×1通道擴展Intel Lan 82574IT芯片，實現千兆網的接入；

聲卡：通過CPU核心的HAD通道擴展ALC269芯片，實現麥克風信號的接入和內置揚聲器的信號輸出；

內存：通過CPU核心的DDR3雙通道實現板載4GB內存；

觸摸屏：通過CPU核心的USB通道集成電容式觸摸屏；

WIFI：通過CPU核心的PCIe×1通道擴展標準PCIe無線WIFI網卡。

2.2 擴展模塊

主板通過miniPCIe接口擴展方式實現WIFI、安全可信等模塊的嵌裝，并通過BIOS底層，驅動該模塊的可靠運行。

WIFI模組采用安全可信計算模塊，本設計采用航天706所的產品，該模組對設備進行可信增強，保證設備平臺的可信；同時，利用安全模塊作為用戶身份識別卡，卡和用戶綁定；提供密碼服務，實現WAPI安全連接和通信（WAI和WPI）。采用MiniPCIe安全模塊加MICROSD身份認證卡模式。

MiniPCIe插接在筆記本內部，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，機器啟動后，MiniPCIe安全模塊和MICROSD身份卡之間建立一個安全信道，進行身份認證。本機調用密碼服務等均由MiniPCIe安全模塊實現。其硬件配置情況，如表1所示。

表1 主要硬件配置表

3 軟件設計

10.4 in移動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、設備支持中間件和通用支撐中間件,10.4 in移動終端軟件層次結構如圖2所示，各層軟件的具體定義如下。

圖2 移動終端的軟件體系圖

3.1 核心層

核心層構建在硬件設施之上，主要包括操作系統、硬件模塊/設備驅動、數據庫管理系統和安全管理軟件等基本系統軟件。10.4 in移動終端支持Windows7操作系統下的硬件加速，觸控手勢操作，分辨率調整等需要。適配中標麒麟操作系統下的驅動。

3.2 中間層

CORBA InterBus中間件主要提供上層應用系統軟件對CORBA規范的支持。

設備支持中間件主要屏蔽硬件平臺、操作系統平臺帶來的差異，為二次用戶提供一個易于開發、統一管理、硬件透明的軟件運行平臺，主要包括綜合圖形圖像顯示中間件、故障診斷測試中間件、表頁顯示中間件、專用操控模塊消息中間件、設備管理器等。

通用支撐中間件主要提供面向10.4 in移動終端用戶的共性軟件，簡化應用系統軟件的開發，并隨多功能標準臺的推廣使用逐步擴充。主要包括多層疊加顯示、嵌入式瀏覽器（VxWorks操作系統下）、消息中間件、數據訪問中間件和戰術態勢顯示等。

此外，設備支持BIOS啟動階段，在顯卡初始完成后，立即顯示定制的Logo圖片。BIOS在啟動過程中，要對主板上的主要設備進行檢測。當發現錯誤時，如果此時顯卡未完成初始化，則BIOS通過主板蜂鳴器進行報警；否則，BIOS將通過顯示器向用戶提示錯誤信息。

4 電源設計

機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交流電轉換成19V、2.1A直流電。

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

5 接口設計

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、一個全副miniPCIe接口、電池接口、一個半幅MiniPCIe接口、一個MSATA接口等。其中MSATA和MiniPCIe卡接口，均在主板設計和殼體中專門設置了緊固件，以滿足整機的抗沖擊振動指標。

5.2 機身對外接口

（1）專用防水接口：底部36pin磁性接口；

（2）標準接口：左側防水門內1×3.5mm DC_IN接口、右側防水門內1×MicroSD接口、1×MicroHDMI接口。

5.3 底座對外接口

底座以防水航空插頭的方式提供一路直流電源輸入接口、一路網絡接口、2路USB接口、一路DP高清信號接口、一路擴展CAN口。

6 結構設計

10.4 in移動終端結構采用鎂合金全加固設計，表面噴砂處理，并附高強度金屬烤漆，通過銅質冷管設計，有效解決CPU和其他核心處理器的散熱問題。為了使整機結構能夠適應處理器有效散熱，殼體內部將采用構件支架的方案，將主板通過支架的過渡，有效的與殼體配合。

6.1 防淋雨設計

整機在對外接口、散熱模組、機殼接縫以及屏幕貼合等方面考慮淋雨產生的滲透風險。首先，機殼的結合面，均采用導電密封圈與前殼密封槽、后蓋密封筋緊密壓合（如圖3所示）。通過這個密封組合可以實現殼體結構的防水氣密性要求。

圖3 前后殼體結合處密封槽結構圖

同時，結合主板布局設計，通過防水保護蓋或防護門的設計，將對外連接器的面板與主殼體隔離，從而達到對外接口的多種組合。在整機全加固設計環節中，通過設計、定制密封器件，并結合殼體上開放部位與密封器件配合的阻隔筋設計（如圖4所示），實現殼體、天線、對外接口的密封。

圖4 開放部位阻隔筋示意圖

6.2 抗沖擊設計

在機殼的關鍵部位設計采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實現整體抗沖擊性能。其中，橡膠的硬度控制要確保足夠的彈性和外形的穩定性。

在機殼內設計限位裝置，阻擋硬盤、內存、擴展卡等活動部件，避免因沖擊導致的器件松動，從而實現整機的抗震、抗沖擊和防跌落性能。

6.3 便攜性設計

殼體采用輕質堅固的鎂鋁合金，并在結構設計中充分考慮減重設計，將整機的重量控制在850g之內，從而達到良好的整機便攜型。整機部件組裝示意圖，如圖5所示。

圖5 整機部件組裝示意圖

在機殼的關鍵部位設計采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實現整體抗沖擊性能。其中，橡膠的硬度控制要確保足夠的彈性和外形的穩定性。

在機殼內設計限位裝置，阻擋硬盤、內存、擴展卡等活動部件，避免因沖擊導致的器件松動。

6.4 環境適應性設計

10.4 in移動終端的所有元器件都選用軍品級/工業級、高品質、高可靠性、長壽命器件，符合環境適應性要求。在進行電路設計時盡可能減小印制板尺寸，采用高強度連接和多點加固方式，可提高設備抗沖擊、振動的能力，能滿足沖擊振動的要求。殼體之間加裝導電橡膠條，有效的增強顯示器的抗沖擊、振動以及鹽霧、潮濕等能力。

針對高功耗的CPU采用熱管冷卻系統和獨立散熱區方案，有效解決CPU等高發熱器件的散熱。散熱通道與主板完全隔離，并確保IP65等級的防水能力。

6.5 安全性設計

機箱外形設計（人機界面處）盡量避免棱角、尖角，防止對人身造成傷害,產品機箱上有警示標識，提示系統開關機、搬運等的注意事項，防止操作不當對系統造成損傷；系統中機箱殼地與信號地均隔離，防止因電源高端與機箱殼搭接造成產品損壞。電源設計有過流保護措施，以保證供電電源工作在非正常極限時慣組不被損壞；電路的設計采用成熟的、已經過驗證的、可靠的印制板。

6.6 電磁兼容性設計

屏蔽設計主要靠機殼屏蔽及電纜屏蔽保證。屏蔽分為電場屏蔽與磁場屏蔽，對機殼屏蔽，連續高導電材料具有良好的電場屏蔽性能，連續高導磁材料具有良好的磁場屏蔽性能。由于殼體選用高導電的鎂鋁合金材料，只要做好基體表面導電處理并在連接側隙采用導電襯料就可較好的解決電場屏蔽問題。目前，在該領域技術比較成熟的是殼體及面板表面采取鍍鎳等措施，依靠鎳層等的高導磁性能改善磁場屏蔽性能。對電纜屏蔽，通過選擇屏蔽電纜、雙絞線電纜，對電纜合理布局并外加防波套解決。在接地設計上，應設置獨立的機殼地與信號地。在濾波設計上，應優選濾波器并合理設置濾波器位置。EMC在電路板進行考慮和設計是降低電磁輻射、增強抗受擾能力的根本方法。主要考慮輻射的頻率、強度、阻抗、尺寸等。

在PCB制作的過程中，采取以下措施：

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

（2）28V電源地（PGND）和數字地（DGND）隔離，二者通過電源模塊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，為接收機主機內的數字電路工作供電；

（3）數字地（DGND）與模擬地（AGND）單點相連，數字電源D5V與模擬電源A5V也單點相連，A5V為接收機主機內的模擬電路工作供電；

（4）數字地（DGND）與RS422、RS232信號地（GND1）隔離；導航板上選用了1個隔離式DC-DC模塊，在實現數字地與RS422信號地的隔離；

（5）對中頻電路進行金屬殼屏蔽，殼體接地；

（6）電路板設計是使相鄰信號層的信號走向垂直；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隔離區域，與板子地單點連接。

6.7 散熱優化

移動終端采用全加固結構設計，對關鍵處理器冷卻系統的冷管排布進行優化，可以通過紅外熱分布圖和熱曲線分析，確定并優化整機的最佳散熱區域，使散熱區域遠離關鍵發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。實現散熱區域與主板核心運算區域的有效分離，使發熱器件可以借助金屬外殼進行有效散熱。

結束語：移動終端由主機、可拆卸電池、加固專用數據底座組成，該產品核心采用X86架構，Intel Bay trail低功耗處理器，通過底部綜合接口與數據底座進行數據交換，實現了主機的高速數據通信。移動終端配置10.4 in 1920×1200的高分辨率顯示器，以及帶有防眩光、防反射鍍膜的多點觸摸電容屏。移動終端僅在機身兩側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準連接器，以方便直接使用標準接頭或介質與設備連接。為了防止潮濕空氣和水侵入沒有防水處理的商用連接器，接口外部需要設置防水保護蓋，以確保防水和濕熱環境要求。其余接口均由設備底部的綜合連接器負責輸出，該連接器具有防水性能。整機按鍵位于設備的上邊靠左側的位置，布置有三個按鍵，分別是：主機電源按鍵、亮度/音量增加鍵、亮度/音量減少鍵。通過三個按鍵可以實現多種組合功能，實現包括硬盤自毀、WIFI模塊開關等功能。經過上述的獨特設計，可確保移動終端在惡劣環境可靠穩定的工作。