主要研究內容是與Linux和Qt5有關，通過對Linux系統的移植掌握Uboot編譯，Linux內核裁剪，文件系統掛載等相關操作，還熟悉驅動的掛載和卸載，設備樹的編寫等。

通過編寫Qt5應用程序，了解C++語言編程，明白槽和信號的運行機制，熟悉各個模塊之間的調用關系。

通過對整個系統從硬件到軟件的設計，了解產品開發的大致流程。

本系統分為硬件部分設計，系統部分設計，應用部分設計三大部分。硬件部分設計包括從器件選型開始，主控芯片，屏幕，揚聲器，電池管理等，再到原理圖繪制，PCB布局布線，嘉立創打板，焊接等一系列流程。

系統部分設計包括交叉編譯器安裝，Uboot移植，Linux內核裁剪編譯，文件系統裁剪掛載，Tslib移植，Mplayer移植，Qt移植，驅動程序移植，驅動程序編寫，腳本語言編寫等。

應用部分包括視頻播放，音樂播放，照片播放，查看日期時間，查看天氣，查看溫濕度，查看設置，閱讀電子書，使用記事本，使用計算器，玩nes游戲等。

通過對這三大部分的設計，完成一個具備平板部分功能的設備。

設計分析

1.硬件電路設計分析

硬件電路設計主要分為好幾個模塊進行開發，這樣開發的好處就是模塊之間可以組合使用，在后續開發別的產品時能充分利用。

大致可以分為四個模塊：

主控核心板

主控底板

充放電管理模塊

串口調試模塊

充放電管理模塊主要就是負責電池管理，充電，放電，電池保護等。

串口調試模塊主要在開發階段使用，通過打印信息到PC終端可以對設備軟件部分進行開發，調試，設計完成之后就不需要了。

主控核心板主要是主控和其外圍電路，構成一個最小系統，單個主控板就可以使用，可以隨意的擴展底板，做音樂播放器，做網絡攝像頭，做語音助手都可。

主控底板就是簡易平板的核心外圍器件，主要有耳機接口，功放芯片，時鐘芯片，屏幕接口，觸摸接口，WIFI模塊，震動馬達接口，麥克風，一鍵開關機電路，陀螺儀芯片，溫濕度芯片，LED和少許按鍵等。

通過這些外圍器件構成簡易平板和外界進行信息交換的渠道。

2.系統移植設計分析

這一部分是核心部分，也是最為復雜的部分，但又是最容易使用的部分，因為這部分一般都是芯片原廠開發，然后提供給用戶使用。

也就是說關于這部分是可以通過簡單配置直接使用的。

首先就是Uboot編譯，Uboot是一段啟動代碼，和芯片底層進行打交道，包括系統時鐘配置，DDR初始化等一系列操作。

Uboot啟動之后會進行設備樹和Linux內核加載，需要我們移植Linux內核，Linux內核整個十分龐大，我們只需要移植需要的部分，也就是需要進行內核裁剪，裁剪編譯之后我們就需要掛載文件系統，文件系統是后續文件存儲的部分，也是直接接觸的部分。

關于文件系統有好幾種選擇，可以選擇最小文件系統，只有十幾MB大小，也可以選擇Debian系統，分為帶桌面和不帶桌面的。

文件系統的編譯，也有好幾種方式，本系統采用Buildroot進行編譯最小文件系統。

3.驅動開發設計分析

在前面我們進行了硬件開發和系統移植，接下來就進行驅動開發，這部分主要就是對硬件設計部分進行開發，用設備樹進行引腳功能定義，用Linux內核進行驅動開發，可以編譯成Ko模塊加載，也可以直接編譯進內核，直接編譯進內核之后，上電會自動加載。

需要進行驅動開發的有以下器件。

WIFI模塊驅動開發去進行聯網，時鐘模塊驅動開發進行時間顯示，溫濕度模塊開發進行溫濕度獲取，震動馬達驅動開發去控制馬達震動，觸摸驅動開發去使能屏幕觸摸效果，一鍵開關機電路驅動開發實現開關機，按鍵開發進行音量設置，還有以太網驅動開發，RGB屏幕驅動開發，麥克風驅動開發等。

通過編寫驅動程序，簡易平板就可以和外界進行信息交換，為后面應用開發做準備。

驅動開發是最為復雜的，最容易出錯的，最費時間的，最不容易找到問題的。

4.應用開發設計分析

驅動開發之后，說明本設計已經具備和外界進行信息交換的能力，但具體如何去做，需要去進行應用開發。

應用開發也就是在Linux系統上使用系統應用函數API去和硬件驅動打交道。

本系統設計的是簡易平板，肯定要實現平板所能做的一些事情，視頻播放，音樂播放，圖片播放，溫濕度獲取，天氣查詢，閱讀電子書，查看時間，查看日歷，記事本，NES游戲，屏幕背光調節，手電筒等。

應用程序通過Qt5進行編寫，Qt是一個可跨平臺的，靈活性高的開發軟件，簡單好移植，可以很好的應用在嵌入式設備上。

5.3D外殼設計分析

在設計的最后階段，要進行簡易平板的包裝，不能給用戶一個裸板去使用。

用立創EDA專業版進行3D外殼的設計，操作簡單，并且可以在繪制完電路板之后直接在畫的PCB文件中進行設計，不用PCB設計軟件和3D建模軟件之間來回切換，大大節省了開發時間。

3D外殼設計的時候要注意幾個點，首先要保證散熱，不能全封死，對于按鍵，SD卡槽，USB接口，耳機口這些要進行開槽處理，屏幕部分可直接包住，屏幕外邊框不顯示。

設計框圖

1.整體設計框圖

該框圖介紹了整體設計的思路，先從硬件電路出發，經過系統移植、驅動開發、應用開發和3D設計的操作，一步一步介紹構造簡易平板的全過程。

2.硬件電路設計框圖

該框圖介紹了簡易平板的硬件構成，包括一些器件的選型和對應功能電路，比如一鍵開關機、耳機功放切換電路等，可見設計一個產品需要包含很多的器件。

3.系統移植設計框圖

該框圖介紹了簡易平板的系統移植，從三個方面出發，Uboot移植，Linux內核裁剪到最后的文件系統編譯，介紹了Linux系統硬件平臺的系統層面的基本操作。

4.應用開發設計框圖

該框圖介紹了簡易平板的應用APP，可以直觀的看到簡易平板開發了豐富的應用程序，這些基本的應用程序可以滿足日常的需求，介紹了一個產品需要眾多軟件的支持。

硬件設計

1.核心板介紹

核心板設計大小為3cm * 5cm,采用四層板進行設計。

核心板設計的目的是為了方便擴展，主要是構建基于主控的最小系統，單核心板就能夠運行。

核心板設計硬件包括全志的V3S主控芯片，以及一些V3S的外圍電路，晶振，復位等，還使用了一個DCDC芯片EA3036可提供3路電源，用來給V3S提供電源。

和底板連接接口使用MINI PCIE接口，MINI PCIE可以引出56個引腳，核心板上引出RGB屏幕的FPC排座，這樣去掉RGB屏幕的引腳，剩下的引腳基本上可以全部引出。

核心板還板載了一顆W25N01GVZEIG存儲芯片，可用來存儲系統，然后不需要SD卡運行啟動。

2.底板介紹

底板設計大小為7.6cm * 10cm,采用兩層板進行設計。

底板設計的主要功能就是構造簡易平板所需的功能，包括一鍵開關機電路，電池接口，RTL8723BS WIFI藍牙模塊，耳機，8002B功放芯片，DS3231時鐘芯片，SHT30溫濕度芯片，MPU6050陀螺儀芯片，震動馬達接口，SD卡接口，音量加減鍵，關機鍵，復位鍵，還板載了RGB屏幕背光電路等。

通過底板上這些器件的運行可以保證實現本系統所需要的功能。

3.硬件電路原理圖分析

1.全志V3S主控芯片原理圖設計

本系統使用的主控芯片是全志的V3S，是ARM Cortex-A7架構，主頻最高支持1.2GHz，空載運行電流 90~100mA，滿載運行電流~180mA，集成 64MB DDR2，可從8~32MB SPI Nor Flash、128MB Nand Flash和SD卡等設備啟動。

有一個RGB666屏幕接口，支持常見的 272x480, 480x800,1024x600 等分辨率。

擁有一路100M Ether接口（含 EPHY），一路OTG USB接口，兩路Speaker接口和一路Mic接口等資源，非常適合開發多媒體設備，滿足簡易平板的應用需求。

2.EA3036電源芯片原理圖設計

本系統使用的電源芯片是一款DCDC器件,型號為EA3036，EA3036采用20針QFN 3X3封裝，EA3036支持2.7-5.5V范圍輸入，0.6V參考電壓。

EA3036為三路輸出，每路輸出可實現2A持續輸出能力，并提供獨立的使能端進行電源管理和上電時序控制。本系統的三路電源輸出分別為1.2V、1.8V和3.3V。

3.RGB屏幕接口原理圖設計

這款芯片自帶有RGB666的接口，所以可以驅動RGB的屏幕。

RGB666表示數據有16位，分別是R6位，G6位，B6位，這些都是數據線，另外還有行同步信號，列同步信號，時鐘信號等。

RGB屏幕是一個通用接口，是市面上最為常見的屏幕之一，應用非常廣泛。本系統原理圖畫的是正點原子的屏幕接口，并且帶電容觸摸。

4.MINI PCIE接口原理圖設計

本系統是設計為核心板加底板的方式，那必然核心板上要留出接口。

關于接口，前期也了解很多，比如排針，BTB連接器，DDR，M.2，MINI PCIE等等。

最終選擇了MINI PCIE，因為MINI PCIE的引腳個數正好合適，間距為0.8mm，而與之相似的M.2的間距為0.5mm，PCB繪制的時候不好連線。

經過層層考慮，最終選擇了MINI PCIE接口進行核心板與底板的連接。

5.PT4103B23F升壓芯片原理圖設計

PT4103是一款升壓型DC/DC轉換器，設計用于從單電池鋰離子電池以恒定電流驅動多達8個串聯的白色LED。

由于PT4103直接調節輸出電流，因此它非常適合驅動發光二極管（LED），而RGB的屏幕背光正好是多個LED進行連接，這款芯片用來驅動背光再好不過。

6.RT9193穩壓芯片原理圖設計

RT9193是一款LDO芯片，輸出電壓為3.3V，選擇封裝為SOT-23-5，非常小巧，并且外圍電路也不多，容易嵌入到系統板上。

RT9193提供了穩定可靠的電源，只要輸入電壓在一定的范圍內，輸出電壓永遠保持在3.3V。

7.一鍵開關機原理圖設計

生活中的便攜式電子產品都具有開關機按鍵，比如手機電源鍵就是一種非常典型的一鍵開關機，長按開機，長按關機。

除了手機以外的其它電子產品，也可以使用這種方法，給用戶良好的體驗。

本系統就是基于用戶體驗的角度，在系統底板上加入了一鍵開關機電路，方便用戶對簡易平板進行操作。

8.DS3231時鐘原理圖設計

DS3231是一款精度很高的實時時鐘芯片，內置自動補償電路。

可以自動調整月份和日期，還有閏年補償功能，時鐘的工作格式可以有兩種模式，24小時模式或者12小時模式。

DS3231內部集成了可編程的鬧鐘，并且支持兩路，DS3231這個實時時鐘不僅可以提供準確的走時而且還能保持斷電走時，極大保障了系統時間的準確性。

9.麥克風原理圖設計

全志V3S集成了音頻ADC，可以外接一個麥克風，通過麥克風可以獲取外界的聲音，然后存儲起來，可以實現錄音的功能。

還可以開發軟件部分，使其支持語音識別，可以實現語音助手的功能。

10.耳機和8002B功放原理圖設計

全志V3S不僅支持音頻ADC，還支持播放音頻，可以接一路耳機，有左右雙通道。

雖然插上耳機就可以播放音頻，但畢竟還是需要有耳機才能播放。

在設計上加入一個功放芯片8002B，通過功放外接一個喇叭就可以支持聲音外放。

而且設計過程中對耳機和功放部分做了處理，使插上耳機的時候耳機播放，不插耳機的時候就外放。

11.RTL8723BS WIFI藍牙原理圖設計

RTL8723BS是一款小尺寸，小巧的WiFi + BT組合模塊，電路板尺寸為12mm * 12 mm，高度為1.6mm。

常適合平板電腦，超極本，移動設備和消費類產品。

它提供用于WiFi的GSPI/SDIO接口與主機處理器連接以及用于BT的高速UART接口，WiFi的吞吐量理論上可以達到150Mbps。

本系統設計模塊的初衷就是為了方便聯網，畢竟作為一個移動設備，不可能一直插網線這種方式，并且這款模塊還支持藍牙，相當于一個模塊就繼承了WiFi和藍牙，非常適合本系統。

12.MPU6050陀螺儀原理圖設計

MPU6050是一款陀螺儀芯片，內置陀螺儀和加速度計，可以通過檢測當前的姿態來判斷當前的平板的姿態位置。

本系統設計的目的是為了實現重力感應，自動翻轉屏幕，充當計步器等功能。

13.SHT30溫濕度原理圖設計

SHT30是一款溫度和濕度傳感器。它的封裝為DFN-8，封裝外形為2.5mm * 2.5mm,同時保持0.8mm的高度，這意味著可以將它集成到多種應用中。

本系統設計的目的是為了能夠實時獲取外界環境的溫度和濕度，給用戶一個直觀的體驗。

14.震動馬達原理圖設計

震動馬達是一個可以發生震動的器件，通過一個三極管就可以驅動。

諸如手機一樣，當設置為震動模式的時候，不會發出聲音，但是手機本身發出震動。

本系統就是基于這樣的設計思想，當簡易平板設置為震動模式的時候，一旦有外界消息震動馬達就會發出震動，以提醒用戶及時查看消息。

PCB分析

1.核心板PCB分析

核心板PCB為四層板，最小線寬為4mil，是嘉立創四層板所支持的最小工藝。

整體設計為兩面都有器件，因為核心板只有設計的比較小，才能更方便的集成到應用中去。

正面放置EA3036 DCDC器件，主控芯片V3S，和RGB屏幕接口FPC，FPC放到正面是為了方便后續接屏幕。

背面大多是一些電容電阻和一個W25N01GVZEIG備用，W25N01GVZEIG默認是不焊接的。

在內層1對電源進行了分割，主要有VBUS，1V2，3V0，3V3等。

在內層進行電源分割，不僅方便布線，還增強系統的可靠性。

2.底板PCB分析

底板PCB為兩層板，最小線寬為6mil，嘉立創雙面板線寬最小支持5mil。

整體設計為只有背面有器件，因為正面是把整個屏幕貼上去，這個在設計的時候需要考慮屏幕的排線，在對應的位置進行開槽處理，方便排線連接。

還有就是電源開關和音量開關的位置要放在合適的位置，方便我們去操作。

還有type-c接口、麥克風、耳機口，SD卡槽的位置等都需要去考量；屏幕FPC的位置要和核心板上FPC接口是順的，也就是FPC排線連接是順的，不能交叉打結。

MPU6050的位置最好放到板子的正中間，這樣測量結果是最正確的。RTL8723BS的天線部分不要覆銅。

測試效果

1.主界面測試

主界面是程序啟動就進入的界面，里面羅列了十幾款APP應用，可滑動翻頁，點擊對應的APP圖標會進入到對應的APP應用界面。

2.音樂播放測試

音樂播放界面實現了歌詞根據進度條滾動顯示，有可暫停、可上一曲，可下一曲等功能，會顯示當前播放進度和總進度時長，可滑動滾動條跳轉音樂播放進度。

3.電子書測試

電子書分為兩個界面，點擊電子書圖標會進入書架界面，會列舉當前文件中的書籍信息，選擇對應的書籍可以進入閱讀界面，在閱讀界面可以修改背景顏色和文字顏色等。

4.天氣預報測試

點擊天氣圖標會進入到天氣查詢界面，輸入對應的城市名點擊查詢按鈕，即可顯示當前的溫度和風向等信息，在最下面還會有溫馨提示。

點擊左上角的切換按鈕可以查看未來幾天的天氣情況，提醒注意防護。

5.計算器測試

點擊計算器圖標會進入到計算器界面，里面有一張背景圖片和按鈕形成對比，方便使用按鈕進行操作，支持連續加減乘除運算，計算結果大字顯示，方便獲取。

6.設置界面測試

點擊設置圖標會進入到設置界面，在設置界面可以設置WIFI，藍牙，聲音，顯示，日期等操作，點擊關于選項會進入關于界面顯示一些系統的內存大小，版本等信息。

結論

本文主要介紹了簡易平板的設計與實現，該系統從硬件設計開始，經過系統移植，驅動開發，應用開發，外殼設計等操作，已經涵蓋了一個產品從設計到生產的基本過程。

硬件設計也是很有門道的，稍微有一點地方不對，就需要重新打板子。

本系統從設計開始到最后的成品，一共做過兩塊開發板、三塊核心板和三塊底板，相當于光板子就做了八塊，其中多次涉及兩層板和四層板，還包含電源分割和一些常規的注意事項。

通過設計本系統，可以加強對硬件設計部分的基本操作，可以熟練進行PCB設計。

系統部分主要涉及Linux系統的知識，通過對Uboot、Linux內核和Rootfs的編譯，熟練配置交叉編譯器，了解Makefile的執行機制和編程規范，能對.config文件進行修改和添加。

驅動開發主要操作是對硬件底層的操作，需要看懂器件的使用手冊，能用通信協議驅動器件，知道如何用設備樹去配置引腳，如何靈活的使用驅動框架等。

應用開發主要涉及Qt知識，能熟練使用C++編程語言，明白信號和槽的機制，會一點UI設計，能對圖片進行基本處理等。

外殼設計主要是對一些3D圖形進行處理，能熟練對PCB進行外殼設計，知道如何開孔，如何設置固定孔等。

通過對本系統進行設計，可以掌握很多知識，對于自身能力也是一種提高。

在本課題簡易平板的設計與開發的過程中查閱了很多相關資料，提供了很多的思路，也借鑒了其中設計好的部分。

本系統基于Linux和Qt5進行開發設計，操作系統加UI的設計方向是移動設備的一種常規操作。

只有每一步都設計合理，最后的成品才會實現它應有的功能。

雖然本系統設計的時間周期很長，但由于所涉及的知識龐雜，需要開發的內容較多，設計過程中難免會有設計缺陷和功能不完善之處，希望多多指正。

在后續的時間里，還會繼續開發一些功能和修改一些缺陷，使功能更加完善，系統更加健全。


審核編輯：劉清