臂式可穿戴计算机的硬件研究与设计

论文摘要

可穿戴计算机是一种可穿戴的、人机紧密交互的、用户可以解放双手持续工作的移动计算系统。目前国内外对可穿戴计算机的研究已取得显著成果,并已成功应用于军事、工业和航天航空等领域,然而,对可穿戴计算机的应用研究仍是一个热点,将其推广到更多领域是当前趋势。可穿戴计算机的可穿戴性、移动性、持续性和自然交互性等独特优势,能增强用户的智能和感知能力,将其应用于物流领域,可有效地提高现场物流数据的获取、处理和传输能力,实现自然持续的作业辅助,从而提高工作绩效和安全性。本课题通过对可穿戴计算机特点的分析,结合物流仓储现场工作状况和信息处理方式,创新研制一种臂式的可穿戴计算机,将它作为物流现场应用的平台,对其硬件平台结构进行深入研究,设计合适的核心和扩展计算主板,并实现一个原型系统。基于臂式可穿戴计算机对功耗、尺寸、重量等的特殊约束,经过需求分析和方案选择,采用基于Intel XScale微架构的高集成度、高性能、低功耗的处理器PXA270作为硬件系统的核心处理单元,构建整个系统的硬件平台,并分析和设计各个功能模块电路,主要包括存储模块、人机交互模块(LCD,音频,键盘等)、网络通信模块、RFID、电源模块等,为原型系统主板设计提供保障。臂式可穿戴计算机对主板的设计要求较高(即高速电路,高密度布线),并采用Cadence EDA工具进行PCB设计。基于Allegro设计工具,结合高速PCB设计原则,分析设计中的约束规则,包括叠层、布局布线等;根据信号完整性设计理论,利用仿真工具对关键信号进行拓扑结构修改和仿真分析,指导布局布线;最后完成了6层核心板和4层扩展板的设计。通过对原型系统的调试,即硬件调试和软硬件集成调试,以及功耗测试,验证了本文所设计的臂式可穿戴计算机硬件系统基本满足需求分析中所提出的要求。本课题分析物流用途臂式可穿戴机的功能,提出了基本构架,完成了核心和扩展模块设计,为微型化、低功耗臂式可穿戴计算机的研制打下了良好基础,为针对具体应用的可穿戴计算机硬件研究和设计提供了实用的思路和参考方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 可穿戴计算机及研究现状
• 1.2.1 可穿戴计算机的特征
• 1.2.2 可穿戴计算机的研究现状
• 1.2.3 可穿戴计算机的应用
• 1.3 物流信息处理现状
• 1.4 主要研究内容
• 第二章 总体设计方案研究
• 2.1 系统设计流程
• 2.2 系统需求分析
• 2.2.1 功能需求分析
• 2.2.2 非功能需求分析
• 2.3 系统架构的选择
• 2.4 嵌入式系统简介
• 2.5 技术方案分析与确定
• 2.5.1 处理器选型
• 2.5.2 功能方案确定
• 2.6 系统硬件平台结构
• 2.7 本章小结
• 第三章 臂式机的硬件电路设计
• 3.1 硬件设计要求
• 3.2 CPU核心电路设计
• 3.2.1 时钟电路
• 3.2.2 复位电路
• 3.2.3 JTAG接口电路
• 3.3 电源模块电路设计
• 3.4 存储模块电路设计
• 3.4.1 SDRAM接口电路
• 3.4.2 FLASH接口电路
• 3.4.3 SD卡接口电路
• 3.5 人机交互模块电路设计
• 3.5.1 LCD显示电路
• 3.5.2 触摸屏接口电路
• 3.5.3 键盘电路
• 3.5.4 音频接口电路
• 3.6 网络通信模块电路设计
• 3.6.1 以太网接口电路
• 3.6.2 蓝牙模块接口电路
• 3.7 数据采集模块电路设计
• 3.7.1 RFID技术概述
• 3.7.2 模块接口电路
• 3.8 扩展接口电路设计
• 3.8.1 USB主从接口电路
• 3.8.2 RS232串口电路
• 3.9 本章小结
• 第四章 臂式机主板的PCB设计
• 4.1 高速电路板设计基础
• 4.1.1 信号完整性设计
• 4.1.2 电磁兼容性设计
• 4.1.3 电源完整性设计
• 4.2 硬件系统主板的PCB设计
• 4.2.1 基于Cadence的PCB设计过程
• 4.2.2 PCB设计的要点分析
• 4.2.2.1 叠层设计
• 4.2.2.2 布局
• 4.2.2.3 布线
• 4.2.3 PCB布线仿真分析
• 4.2.4 PCB图的实现
• 4.3 本章小结
• 第五章 硬件系统的调试与测试
• 5.1 电路板检测与实现
• 5.2 调试环境
• 5.3 系统调试方案
• 5.3.1 硬件电路调试方案
• 5.3.2 软硬件集成调试方案
• 5.3.2.1 JTAG接口及FLASH电路
• 5.3.2.2 Bootloader启动过程中的电路测试
• 5.3.2.3 Linux内核启动过程中的电路测试
• 5.3.2.4 其他功能电路
• 5.4 系统调试结果
• 5.4.1 电源及复位电路
• 5.4.2 其他电路
• 5.4.3 LCD驱动电路调试
• 5.5 系统功耗初步测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 部分电路原理图
• 攻硕期间的研究成果