一種抗惡劣環(huán)境的移動終端設(shè)計

江蘇自動化研究所 許凱熙

本文提出了一種抗惡劣環(huán)境的移動終端設(shè)計，從總體設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計等各方面進行了闡述，可為抗惡劣環(huán)境的移動電子設(shè)備設(shè)計提供一種借鑒方法。本設(shè)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(jié)構(gòu)來支持臺位功能重定義和系統(tǒng)功能動態(tài)重組，通過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(huán)境的設(shè)計，選用主流的10.4 in規(guī)格，下面從總體設(shè)計到結(jié)構(gòu)設(shè)計進行詳細的闡述。

1 總體設(shè)計

總體設(shè)計思路是采用當前主流的10.4 in移動終端配置作為設(shè)計依據(jù)，以設(shè)備的性能和整機散熱設(shè)計為主線，兼顧低溫啟動設(shè)計，并對屏和電池在低溫下工作的特殊處理工藝進行優(yōu)化設(shè)計，確保整機性能和可靠性達到設(shè)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(yù)留足夠的擴展空間，為WIFI模組、存儲介質(zhì)、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(shè)計。本設(shè)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(shè)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(shè)計，在達到抗惡劣環(huán)境的同時提高整機的便攜性；機身設(shè)計預(yù)留多種可擴展接口，為增強配置集成模塊時預(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(tǒng)基礎(chǔ)。

固件采用AMI最新架構(gòu)的UEFI BIOS作為WIN7與計算機底層硬件以及輸入輸出的外部設(shè)備的接口，EC作為整個系統(tǒng)的電源與時序控制，滿足時序設(shè)計的要求，也可以通過EC實現(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對應(yīng)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(shù)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(nèi)核完成；

存儲：通過CPU核心集成的存儲讀取與處理層實現(xiàn)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(tǒng)裝載和讀取界面；

網(wǎng)絡(luò)：通過CPU核心的PCIe×1通道擴展Intel Lan 82574IT芯片，實現(xiàn)千兆網(wǎng)的接入；

聲卡：通過CPU核心的HAD通道擴展ALC269芯片，實現(xiàn)麥克風(fēng)信號的接入和內(nèi)置揚聲器的信號輸出；

內(nèi)存：通過CPU核心的DDR3雙通道實現(xiàn)板載4GB內(nèi)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(wǎng)卡。

2.2 擴展模塊

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

WIFI模組采用安全可信計算模塊，本設(shè)計采用航天706所的產(chǎn)品，該模組對設(shè)備進行可信增強，保證設(shè)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(wù)，實現(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(diào)用密碼服務(wù)等均由MiniPCIe安全模塊實現(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

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(shè)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(jié)構(gòu)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(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、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和安全管理軟件等基本系統(tǒng)軟件。10.4 in移動終端支持Windows7操作系統(tǒng)下的硬件加速，觸控手勢操作，分辨率調(diào)整等需要。適配中標麒麟操作系統(tǒng)下的驅(qū)動。

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CORBA規(guī)范的支持。

設(shè)備支持中間件主要屏蔽硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺帶來的差異，為二次用戶提供一個易于開發(fā)、統(tǒng)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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)軟件的開發(fā)，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(tǒng)下）、消息中間件、數(shù)據(jù)訪問中間件和戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢顯示等。

此外，設(shè)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(shè)備進行檢測。當發(fā)現(xiàn)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(shè)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(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

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(shè)計和殼體中專門設(shè)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(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高清信號接口、一路擴展CAN口。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

10.4 in移動終端結(jié)構(gòu)采用鎂合金全加固設(shè)計，表面噴砂處理，并附高強度金屬烤漆，通過銅質(zhì)冷管設(shè)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(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，將主板通過支架的過渡，有效的與殼體配合。

6.1 防淋雨設(shè)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(chǎn)生的滲透風(fēng)險。首先，機殼的結(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）。通過這個密封組合可以實現(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，結(jié)合主板布局設(shè)計，通過防水保護蓋或防護門的設(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)中，通過設(shè)計、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（如圖4所示），實現(xiàn)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(shè)計

在機殼的關(guān)鍵部位設(shè)計采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實現(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。

在機殼內(nèi)設(shè)計限位裝置，阻擋硬盤、內(nèi)存、擴展卡等活動部件，避免因沖擊導(dǎo)致的器件松動，從而實現(xiàn)整機的抗震、抗沖擊和防跌落性能。

6.3 便攜性設(shè)計

殼體采用輕質(zhì)堅固的鎂鋁合金，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮減重設(shè)計，將整機的重量控制在850g之內(nèi)，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(guān)鍵部位設(shè)計采用R+M（即橡膠包金屬）的緩沖材料實現(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。

在機殼內(nèi)設(shè)計限位裝置，阻擋硬盤、內(nèi)存、擴展卡等活動部件，避免因沖擊導(dǎo)致的器件松動。

6.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

10.4 in移動終端的所有元器件都選用軍品級/工業(yè)級、高品質(zhì)、高可靠性、長壽命器件，符合環(huán)境適應(yīng)性要求。在進行電路設(shè)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(shè)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(dǎo)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(tǒng)和獨立散熱區(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等級的防水能力。

6.5 安全性設(shè)計

機箱外形設(shè)計（人機界面處）盡量避免棱角、尖角，防止對人身造成傷害,產(chǎn)品機箱上有警示標識，提示系統(tǒng)開關(guān)機、搬運等的注意事項，防止操作不當對系統(tǒng)造成損傷；系統(tǒng)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(chǎn)品損壞。電源設(shè)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(shè)計采用成熟的、已經(jīng)過驗證的、可靠的印制板。

6.6 電磁兼容性設(shè)計

屏蔽設(shè)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(xù)高導(dǎo)電材料具有良好的電場屏蔽性能，連續(xù)高導(dǎo)磁材料具有良好的磁場屏蔽性能。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屏蔽問題。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(shè)計上，應(yīng)設(shè)置獨立的機殼地與信號地。在濾波設(shè)計上，應(yīng)優(yōu)選濾波器并合理設(shè)置濾波器位置。EMC在電路板進行考慮和設(shè)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(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(nèi)的數(shù)字電路工作供電；

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

（4）數(shù)字地（DGND）與RS422、RS232信號地（GND1）隔離；導(dǎo)航板上選用了1個隔離式DC-DC模塊，在實現(xiàn)數(shù)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(shè)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(qū)域，與板子地單點連接。

6.7 散熱優(yōu)化

移動終端采用全加固結(jié)構(gòu)設(shè)計，對關(guān)鍵處理器冷卻系統(tǒng)的冷管排布進行優(yōu)化，可以通過紅外熱分布圖和熱曲線分析，確定并優(yōu)化整機的最佳散熱區(qū)域，使散熱區(qū)域遠離關(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。實現(xiàn)散熱區(qū)域與主板核心運算區(qū)域的有效分離，使發(fā)熱器件可以借助金屬外殼進行有效散熱。

結(jié)束語：移動終端由主機、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，通過底部綜合接口與數(shù)據(jù)底座進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了主機的高速數(shù)據(jù)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(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準連接器，以方便直接使用標準接頭或介質(zhì)與設(shè)備連接。為了防止潮濕空氣和水侵入沒有防水處理的商用連接器，接口外部需要設(shè)置防水保護蓋，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責(zé)輸出，該連接器具有防水性能。整機按鍵位于設(shè)備的上邊靠左側(cè)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(xiàn)多種組合功能，實現(xiàn)包括硬盤自毀、WIFI模塊開關(guān)等功能。經(jīng)過上述的獨特設(shè)計，可確保移動終端在惡劣環(huán)境可靠穩(wěn)定的工作。