基于ARM S3C2410处理器的PDA人机接口电路设计

　　引言

　　PDA(个人数字助理)实际上是一种比笔记本电脑还要小得多的手持式电脑，这种手持设备兼有计算、网络、传真、电话等多种功能，使得个人信息管理变得尤为方便，网上冲浪、收发电子邮件都可以通过无线方式解决。

　　随着电子技术的迅猛发展，具有耗电少、亮度高、体积小等特点的LCD(液晶显示器)被广泛应用于PDA系统中。

　　S3C2410是三星公司设计的32位RISC(精简指令集计算机)嵌入式处理器。该芯片基于ARM920T、内核，集成了众多的常用资源，如LCD控制器、SDRAM控制器、1个触摸屏接口、2个SPI接口等，内核最高工作频率可达266 MHz。适用于信息家电、智能电话、平板(Tablet)电脑、PDA、移动终端等领域。

　　1 S3C2410 LCD控制器的电路设计

　　1.1S3C2410的LCD控制器

　　S3C2410的LCD控制器用来传输图像数据并产生相应的控制信号，该控制器由REGBANK(控制寄存器组)、LCDCDMA(专用DMA)、VIDPCS(视频信号处理单元)、LPC3600和tiMEGEN(时序信号产生单元)组成。其中：REGBANK包含17个可编程寄存器和几个256×16的调色板存储器，用来配置LCD控制器，并设置相应的参数；LCDCDMA提供了视频信号的快速传输通道，自动通过系统总线从系统帧缓存中取出视频数据，并传输到视频信号处理单元；VIDPCS将专用DMA中取出的信号进行整形并提高驱动能力等处理后，输出到外部数据端口VD[23：0]；TIMEGEN和LPC3600产生LCD屏所需要的控制时序。

　　S3C2410 LCD控制器可以产生用于控制TFT-LCD的时序信号，主要包括VCLK(像点时钟)、VDEN(数据有效信号)、VSYNC(垂直同步信号)、HSYNC(水平同步信号)、LEND(行结束信号)及LCD_PWREN(液晶屏使能信号)。其中：VCLK信号是LCD控制器和LCD驱动器的像素时钟信号，LCD控制器在VCLK信号的上升沿处将数据送出，在VCLK信号的下降沿处被LCD控制器采样；VSYNC信号是垂直同步信号(也称帧同步信号)，用来指示新的一帧图像的开始；HSYNC信号是水平同步信号(或行同步信号)，用来给出新的一行扫描信号的开始；VDEN信号是数据使能信号；LEND信号是行扫描结束信号，LCD驱动器在每扫描一行像素后给出该信号；LCD_PWREN信号用来控制LCD控制器的开或关，以便降低功耗，它需要LCD控制器硬件设计的支持。

　　1.2S3C2410的LCD控制器寄存器操作和设置

　　S3C2410的LCD控制器内部设有较多的寄存器，其中与时序信号高度相关的寄存器位于寄存器组中的LCDCON1／2／3／4／5。本系统设计的LCD驱动器需要LCD控制器给出VCLK、VDEN、LCD_PWREN和VD[23：0]信号。VCLK信号依赖于LCDCON1寄存器中CLKVAL和S3C2410的HCLK的取值，具体公式为： VCLK(Hz)=HCLK／[(CLKVAL+1)×2]

　　VSYNC和HSYNC的产生依赖于LCDCON2／3寄存器及HOZVAL和LINEVAL的配置，其中：

　　HOZVAL=水平像素数-1

　　LINEVAL=垂直显示尺寸-1

　　帧频率VSYNC与LCDCON1／2／3／4寄存器中的VSPW、VBPD、VFPD、LINEVAL、HSYNC、HBPD、HFPD、HOZVAL和CLKVAL有关。

　　1.3 S3C2410与LCD的接口电路

　　S3C2410支持TFT／STN型的LCD，但是不能直接与LCD相连，需要接口板驱动，而本系统所用***建美电子股份有限公司的LCD集成了驱动电路，使得设计更为方便稳定，该LCD应用了最新的QVGA技术，分辨率是240×320像素的液晶输出方式，使得显示的像素更高、更清晰。该LCD采用4线电阻触摸屏，4线电阻模拟量技术的2层透明金属层工作时每层均增加恒定电压：一个竖直方向YD、YU，一个水平方向XR、XL，总共需4根电缆。其特点是：高解析度，高速传输反应，表面硬度处理，减少擦伤、刮伤及防化学处理，具有光面及雾面处理，一次校正，稳定性高，永不漂移通过。JEMITEK的LCD通过50引脚的插座与S3C2410接口电路连接，如图1所示。



　2 PDA的触摸屏设计

　　在PDA中，实现PDA与人的交互非常重要，在普通PC机上人与机器的交互基本上都是通过键盘或鼠标，但在PDA中，为系统配备一个键盘或鼠标显然带来很多不便。因此，现在绝大部分PDA都配备有触摸屏。触摸屏是透明的，一般情况下都是与LCD粘在一起，当用户在触摸屏上点击时，系统可以得到点击的位置，将该位置坐标换算到LCD坐标，就可以 实现用户与机器的交互。


　　触摸屏的结构如图2所示。



　　当用户点击触屏时，顶层和底层通过中间的导通层连接，如果想测X方向的坐标，则在X+和X-两极加上电压，从Y+或Y-取出电压，根据取出的电压可以得到用户点击的X方向的坐标。当测Y方向的坐标时实现方式一样。

　　触摸屏电路接口看上去很简单，但如果不加注意，会带来很多问题，例如采样不准、速度上不来，往往这些又是无法容忍的，因为触摸屏是产品与用户交互的界面，直接影响到产品的形象。

　　对触摸屏电路的设计有以下要求：

　　a)触摸屏控制器电路模拟部分供电建议单独选用一个LDO来提供；

　　b)触摸屏控制器电路要进行地分割，即模拟地和数字地分开，采用单点接地；

　　c)布线时触摸屏控制器电路的模拟部分一定要独占一部分空间，不要与其他电路及信号混合到一起，特别要远离强电磁和电场辐射源，布线的路径要清晰；

　　d)触摸屏接口要有滤波措施，布线时注意器件的布局，要符合滤波器件的布局原则。

　　图3为触摸屏的参考设计电路。



　　3 PDA的键盘电路设计

　　PDA键盘采用4×5矩阵式键盘扫描方式连接，采用软件去抖，节省成本，根据需求共有下列按键：数字键0～9，*，#，BACK，SELECT，OK，四向键，Power键。键盘电路如图4所示。



　　除了Power键，其他按键(共16键加四向键)按矩阵式键盘来实现。键盘单独定制为键盘FPCB(柔性印制电路板)，目前的设计中采用的是5行行输入和4行列输入，共20个键。其中：Power键和挂机键复用，采用KEYON资源，利用长按和短按方法区分实现；其余19个键利用键盘矩阵扫描方式实现；键盘FPCB与主板的连接，采用20板对板连接器。根据对键盘FPCB上器件的高度限制(不超过0.5 mm)，键盘背光灯和限流电阻均采用薄膜封装。把限流电路放置在键盘FPCB上，主要是避免背光灯不均匀性，影响视觉效果。键盘背光信号采用PWM(脉宽调制)背光信号，4个背光灯共用一组背光信号，由于每个背光灯的标准额定电流为5 mA，选用限流电阻值68 Ω。每组背光信号驱动电流为30 mA，4个背光灯需20 mA，在背光信号驱动能力之内。在电路设计过程中，由于键盘与人体接触比较平凡，而且人体经常携带电压很高的静电，特别是在干燥的冬天，而静电常常会使整个系统死机甚至还有可能击穿芯片，所以在设计中按键的两端必须并联静电放针电路，防止因静电损害设备。

　　4 结束语

　　本文结合实际消费电子PDA的研究与开发要求，参照目前国内外PDA的各种功能和结合实际需要，选用三星公司的S3C2410处理器，结合PDA通用功能的需要，并考虑硬件扩展的方便性，设计了PDA人机接口的实现方案。并以该方案为基础，结合实际需要，选用所需的各种器件，构成了PDA人机接口的实际系统，完成了样机的硬件设计与制作。