基于ARM S3C2410的PDA人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

　　引言

　　PDA(個(gè)人數(shù)字助理)實(shí)際上是一種比筆記本電腦還要小得多的手持式電腦，這種手持設(shè)備兼有計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、傳真、電話等多種功能，使得個(gè)人信息管理變得尤為方便，網(wǎng)上沖浪、收發(fā)電子郵件都可以通過(guò)無(wú)線方式解決。

　　隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有耗電少、亮度高、體積小等特點(diǎn)的LCD(液晶顯示器)被廣泛應(yīng)用于PDA系統(tǒng)中。

　　S3C2410是三星公司設(shè)計(jì)的32位RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))嵌入式處理器。該芯片基于ARM920T、內(nèi)核，集成了眾多的常用資源，如LCD控制器、SDRAM控制器、1個(gè)觸摸屏接口、2個(gè)SPI接口等，內(nèi)核最高工作頻率可達(dá)266 MHz。適用于信息家電、智能電話、平板(Tablet)電腦、PDA、移動(dòng)終端等領(lǐng)域。

　　1 S3C2410 LCD控制器的電路設(shè)計(jì)

　　1.1S3C2410的LCD控制器

　　S3C2410的LCD控制器用來(lái)傳輸圖像數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，該控制器由REGBANK(控制寄存器組)、LCDCDMA(專(zhuān)用DMA)、VIDPCS(視頻信號(hào)處理單元)、LPC3600和TIMEGEN(時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生單元)組成。其中：REGBANK包含17個(gè)可編程寄存器和幾個(gè)256×16的調(diào)色板存儲(chǔ)器，用來(lái)配置LCD控制器，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)；LCDCDMA提供了視頻信號(hào)的快速傳輸通道，自動(dòng)通過(guò)系統(tǒng)總線從系統(tǒng)幀緩存中取出視頻數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)揭曨l信號(hào)處理單元；VIDPCS將專(zhuān)用DMA中取出的信號(hào)進(jìn)行整形并提高驅(qū)動(dòng)能力等處理后，輸出到外部數(shù)據(jù)端口VD[23：0]；TIMEGEN和LPC3600產(chǎn)生LCD屏所需要的控制時(shí)序。

　　S3C2410 LCD控制器可以產(chǎn)生用于控制TFT-LCD的時(shí)序信號(hào)，主要包括VCLK(像點(diǎn)時(shí)鐘)、VDEN(數(shù)據(jù)有效信號(hào))、VSYNC(垂直同步信號(hào))、HSYNC(水平同步信號(hào))、LEND(行結(jié)束信號(hào))及LCD_PWREN(液晶屏使能信號(hào))。其中：VCLK信號(hào)是LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器的像素時(shí)鐘信號(hào)，LCD控制器在VCLK信號(hào)的上升沿處將數(shù)據(jù)送出，在VCLK信號(hào)的下降沿處被LCD控制器采樣；VSYNC信號(hào)是垂直同步信號(hào)(也稱(chēng)幀同步信號(hào))，用來(lái)指示新的一幀圖像的開(kāi)始；HSYNC信號(hào)是水平同步信號(hào)(或行同步信號(hào))，用來(lái)給出新的一行掃描信號(hào)的開(kāi)始；VDEN信號(hào)是數(shù)據(jù)使能信號(hào)；LEND信號(hào)是行掃描結(jié)束信號(hào)，LCD驅(qū)動(dòng)器在每掃描一行像素后給出該信號(hào)；LCD_PWREN信號(hào)用來(lái)控制LCD控制器的開(kāi)或關(guān)，以便降低功耗，它需要LCD控制器硬件設(shè)計(jì)的支持。

　　1.2S3C2410的LCD控制器寄存器操作和設(shè)置

　　S3C2410的LCD控制器內(nèi)部設(shè)有較多的寄存器，其中與時(shí)序信號(hào)高度相關(guān)的寄存器位于寄存器組中的LCDCON1／2／3／4／5。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LCD驅(qū)動(dòng)器需要LCD控制器給出VCLK、VDEN、LCD_PWREN和VD[23：0]信號(hào)。VCLK信號(hào)依賴(lài)于LCDCON1寄存器中CLKVAL和S3C2410的HCLK的取值，具體公式為： VCLK(Hz)=HCLK／[(CLKVAL+1)×2]

　　VSYNC和HSYNC的產(chǎn)生依賴(lài)于LCDCON2／3寄存器及HOZVAL和LINEVAL的配置，其中：

　　HOZVAL=水平像素?cái)?shù)-1

　　LINEVAL=垂直顯示尺寸-1

　　幀頻率VSYNC與LCDCON1／2／3／4寄存器中的VSPW、VBPD、VFPD、LINEVAL、HSYNC、HBPD、HFPD、HOZVAL和CLKVAL有關(guān)。

　　1.3 S3C2410與LCD的接口電路

　　S3C2410支持TFT／STN型的LCD，但是不能直接與LCD相連，需要接口板驅(qū)動(dòng)，而本系統(tǒng)所用臺(tái)灣建美電子股份有限公司的LCD集成了驅(qū)動(dòng)電路，使得設(shè)計(jì)更為方便穩(wěn)定，該LCD應(yīng)用了最新的QVGA技術(shù)，分辨率是240×320像素的液晶輸出方式，使得顯示的像素更高、更清晰。該LCD采用4線電阻觸摸屏，4線電阻模擬量技術(shù)的2層透明金屬層工作時(shí)每層均增加恒定電壓：一個(gè)豎直方向YD、YU，一個(gè)水平方向XR、XL，總共需4根電纜。其特點(diǎn)是：高解析度，高速傳輸反應(yīng)，表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理，具有光面及霧面處理，一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移通過(guò)。JEMITEK的LCD通過(guò)50引腳的插座與S3C2410接口電路連接，如圖1所示。



　2 PDA的觸摸屏設(shè)計(jì)

　　在PDA中，實(shí)現(xiàn)PDA與人的交互非常重要，在普通PC機(jī)上人與機(jī)器的交互基本上都是通過(guò)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)，但在PDA中，為系統(tǒng)配備一個(gè)鍵盤(pán)或鼠標(biāo)顯然帶來(lái)很多不便。因此，現(xiàn)在絕大部分PDA都配備有觸摸屏。觸摸屏是透明的，一般情況下都是與LCD粘在一起，當(dāng)用戶(hù)在觸摸屏上點(diǎn)擊時(shí)，系統(tǒng)可以得到點(diǎn)擊的位置，將該位置坐標(biāo)換算到LCD坐標(biāo)，就可以 實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與機(jī)器的交互。


　　觸摸屏的結(jié)構(gòu)如圖2所示。



　　當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊觸屏?xí)r，頂層和底層通過(guò)中間的導(dǎo)通層連接，如果想測(cè)X方向的坐標(biāo)，則在X+和X-兩極加上電壓，從Y+或Y-取出電壓，根據(jù)取出的電壓可以得到用戶(hù)點(diǎn)擊的X方向的坐標(biāo)。當(dāng)測(cè)Y方向的坐標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)方式一樣。

　　觸摸屏電路接口看上去很簡(jiǎn)單，但如果不加注意，會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，例如采樣不準(zhǔn)、速度上不來(lái)，往往這些又是無(wú)法容忍的，因?yàn)橛|摸屏是產(chǎn)品與用戶(hù)交互的界面，直接影響到產(chǎn)品的形象。

　　對(duì)觸摸屏電路的設(shè)計(jì)有以下要求：

　　a)觸摸屏控制器電路模擬部分供電建議單獨(dú)選用一個(gè)LDO來(lái)提供；

　　b)觸摸屏控制器電路要進(jìn)行地分割，即模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，采用單點(diǎn)接地；

　　c)布線時(shí)觸摸屏控制器電路的模擬部分一定要獨(dú)占一部分空間，不要與其他電路及信號(hào)混合到一起，特別要遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁和電場(chǎng)輻射源，布線的路徑要清晰；

　　d)觸摸屏接口要有濾波措施，布線時(shí)注意器件的布局，要符合濾波器件的布局原則。

　　圖3為觸摸屏的參考設(shè)計(jì)電路。



　　3 PDA的鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

　　PDA鍵盤(pán)采用4×5矩陣式鍵盤(pán)掃描方式連接，采用軟件去抖，節(jié)省成本，根據(jù)需求共有下列按鍵：數(shù)字鍵0～9，*，#，BACK，SELECT，OK，四向鍵，Power鍵。鍵盤(pán)電路如圖4所示。



　　除了Power鍵，其他按鍵(共16鍵加四向鍵)按矩陣式鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鍵盤(pán)單獨(dú)定制為鍵盤(pán)FPCB(柔性印制電路板)，目前的設(shè)計(jì)中采用的是5行行輸入和4行列輸入，共20個(gè)鍵。其中：Power鍵和掛機(jī)鍵復(fù)用，采用KEYON資源，利用長(zhǎng)按和短按方法區(qū)分實(shí)現(xiàn)；其余19個(gè)鍵利用鍵盤(pán)矩陣掃描方式實(shí)現(xiàn)；鍵盤(pán)FPCB與主板的連接，采用20板對(duì)板連接器。根據(jù)對(duì)鍵盤(pán)FPCB上器件的高度限制(不超過(guò)0.5 mm)，鍵盤(pán)背光燈和限流電阻均采用薄膜封裝。把限流電路放置在鍵盤(pán)FPCB上，主要是避免背光燈不均勻性，影響視覺(jué)效果。鍵盤(pán)背光信號(hào)采用PWM(脈寬調(diào)制)背光信號(hào)，4個(gè)背光燈共用一組背光信號(hào)，由于每個(gè)背光燈的標(biāo)準(zhǔn)額定電流為5 mA，選用限流電阻值68 Ω。每組背光信號(hào)驅(qū)動(dòng)電流為30 mA，4個(gè)背光燈需20 mA，在背光信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力之內(nèi)。在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于鍵盤(pán)與人體接觸比較平凡，而且人體經(jīng)常攜帶電壓很高的靜電，特別是在干燥的冬天，而靜電常常會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)死機(jī)甚至還有可能擊穿芯片，所以在設(shè)計(jì)中按鍵的兩端必須并聯(lián)靜電放針電路，防止因靜電損害設(shè)備。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文結(jié)合實(shí)際消費(fèi)電子PDA的研究與開(kāi)發(fā)要求，參照目前國(guó)內(nèi)外PDA的各種功能和結(jié)合實(shí)際需要，選用三星公司的S3C2410處理器，結(jié)合PDA通用功能的需要，并考慮硬件擴(kuò)展的方便性，設(shè)計(jì)了PDA人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)方案。并以該方案為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際需要，選用所需的各種器件，構(gòu)成了PDA人機(jī)接口的實(shí)際系統(tǒng)，完成了樣機(jī)的硬件設(shè)計(jì)與制作。

作者：侯 群