基于MTK平台的双卡双待双蓝牙手机硬件设计与实现Word格式文档下载.docx
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市场总是会自动去把握用户最细致的需求,正因为最初的双卡手机(本文以下内容简称此方案手机为双卡单待手机)的一些不足,双卡双待手机才顺应市场的需求而产生。
1.2国内外发展状况及课题研究的意义
双卡双待这是一个比较宽泛的概念,可以细分为以下两种情况,其一是同网络双卡双待,其二就是异网络双卡双待。
同网络指的是同一种移动通信网络中,比如基于GSM网络的两张SIM卡,或者基于双CDMA,双WCDMA等。
异网络双卡双待指的就是两张SIM卡分属于不同的通信网络,比如前几年出现的PHS+GSM,PHS+CDMA的搭配方式(本文以下内容将简称此类手机为双模手机)。
虽然3G是中国移动通信发展的必然方向,但是鉴于3G发牌的时间还较为短暂,基站等基础建设还需要长时间大资金的投入,目前国内的双卡双待手机,主要还是以双GSM为主,另有部分GSM+TD-SCDMA双模手机。
目前国内手机厂商大部分使用台湾联发科技有限公司(MediaTek)的手机平台开发GSM手机,此外还存在少数公司使用高通、博通、飞利浦、TI、ADI(已被MTK收购)、英飞凌等平台开发普通双卡双待手机和双模手机。
但是随着3G的大面积铺开,双模手机必将成为未来市场中的一个热点和新的利润增长点[1]。
表1.1双卡双待手机发展沿革
名称
单卡手机
双卡单待
双模手机
双卡双待单通
双卡双待双通
特点
普通单卡手机拥有一套基带系统和一套射频系统,可使用一张SIM卡
最原始的双卡手机。
包含一套基带系统和一套射频系统,可使用两张SIM卡,使用模拟开关进行切换
使用两套基带系统和两套射频系统,整个手机由两个分属不同网络的单卡手机系统结合组成。
包含一套基带系统和一套射频系统,可使用两张SIM卡,使用模拟开关进行切换。
使用两套基带系统和两套射频系统,整个手机由两个使用同一移动网络的单卡手机系统有机结合组成。
可同时进行两路通话。
备注
必须由用户手动选择某一张SIM卡处于待机状态,另一张则处于离线状态。
2006年出现的双卡国产手机都属于此类型,其典型代表为海尔N96,联想P851等。
2006~2007年间出现的PHS+GSM,CDMA+GSM双模手机均属于此类型。
其代表为联通双模世界风系列双模手机。
以及最新中兴华为等公司设计的GSM+TD-SCDMA双模手机。
此方案是针对双卡单待机的一种发展延伸。
由于技术的进步,模拟开关切换时隙大大降低,足以保证两张SIM卡同时处于移动网络中待机状态。
单通即手机只能有一个号码处于通话状态。
针对双卡双待单通手机当其中一个号码处于通话状态时另一个号码必须处于离线的缺陷,加以改善。
硬件的开发涵盖了多个学科领域较为前沿的理论知识,特别是基于通信领域的硬件开发,更是手机基带、射频、音频、Layout布局走线等各方面知识的一个大集合,如何开发一款在技术上领先、在功能上受消费者欢迎的手机,是一件非常值得深入思考和研究的课题。
1.3本课题的主要任务
本课题主要是基于台湾联发科技有限公司(MTK)提供的平台,对系统中基带模块,射频技术,供电关系,音频部分,蓝牙模块、CAMERA模组、LCD模组等进行了研究,完成了GSM网络的双卡双待手机的硬件设计与实现。
本文对该手机系统的总体架构进行了详细的论述,并对这各主要功能模块在硬件上的设计与实现进行了细致深入的研究,完成了对生产样机的功能调试和系统性能测试,最终完成样机的定型和投入量产。
1.4论文的章节划分
本论文的内容组织如下:
第一章绪论
介绍了课题研究背景、国内外发展状况和其研究的意义等内容。
第二章MTK多媒体手机硬件平台介绍
根据典型手机系统架构,对作者选用的MTK平台各部分做详细介绍。
第三章系统设计与实现
根据需求分析,提出了双卡双待手机系统的可行性方案。
并选用其中性价比最高的方案。
基于此方案,针对基带、射频、电源、音频等模块进行了详细的分析和具体的描述。
第四章系统调试及测试
对系统进行了调试和测试,验证了系统的可靠性,并形成了测试文档。
第五章总结与展望
对参加项目以来的工作内容进行总结,提出不足之处和下一步需要做的工作。
并对市场技术前沿进行展望。
第二章MTK多媒体手机硬件平台介绍
GSM全名为:
GlobalSystemforMobileCommunications,中文为全球移动通讯系统,是一种起源于欧洲的移动通信技术标准,第二代移动通信技术,其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准,让用户使用一部手机就能行遍全球。
我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准,此前一直是采用蜂窝模拟移动技术,即第一代GSM技术(2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络)。
目前,中国移动、中国联通各拥有一个GSM网,为世界最大的移动通信网络。
GSM系统包括GSM900:
900MHz、GSM1800:
1800MHz及GSM1900:
1900MHz等几个频段。
GSM是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动电话系统。
GSM使用的是时分多址的变体,并且它是目前三种数字无线电话技术(TDMA、GSM和CDMA)中使用最为广泛的一种。
GSM将资料数字化,并将数据进行压缩,然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去,另外的两个用户数据流都有各自的时隙。
因为许多GSM网络操作员与其他国外操作员有漫游协议,因此当用户到其他国家之后,仍然可以继续使用他们的移动电话。
GSM手机系统主要由射频部分(接收电路、发射电路、频率合成电路)、基带部分(逻辑/音频电路、输入/输出接口)和电源供电电路三大核心部件组成。
其他部分包含了音频模块、LCD、键盘等必要外设和CAMERA、BT、FM、TF卡等可选外设。
详细结构见图2.1GSM手机系统结构框图[2][3][4][5]。
图2.1GSM手机系统结构框图
2.1核心部分
2.1.1基带
本文所涉及的双系统选择的芯片分别为MT6225[7]和MT6223[7],分别作为两个系统的CPU。
MT6225和MT6223是MTK公司开发的低功耗、高集成度,支持数字音频和视频的基带调制解调芯片。
MT6225集成了一个ARM7EJ-S[8]内核和一个数字信号处理器。
ARM7EJ-S作为主处理器,主要运行高电平的GSM/GPRS协议软件以及多媒体应用,而数字信号处理器处理低电平的MODEM以及更高级的音频功能。
MT6225由以下子系统组成:
Ø
微控制器单元(MCU)子系统——包括一个ARM7EJ-SRISC处理器和它所带的内存管理和中断处理逻辑。
数字信号处理(DSP)子系统——包括一个DSP以及它所带的内存、内存控制器和中断处理器。
MCU/DSP接口——MCU和DSP利用该接口来交换硬件和软件信息。
微控制器外围设备——包括所有的用户接口模块和RF控制接口模块。
DSP外围设备——GSM/GPRS频道编解码器的硬件加速器。
多媒体子系统——集成了多个更高级的加速器来支持多媒体应用。
声音通道——此数据通道用来转换模拟语音至数字语音。
音频通道——此数据通道用来转换立体声音至立体声音频源。
时钟发生器——按照TDMA时钟格式产生控制信号。
功率、重置和时钟子系统——MT6225内部分配管理功率、重置和时钟。
图2.2描述了MT6225的微控制器单元子系统的框图。
该子系统利用了一个32位ARM7EJ-SRISC处理器,作为主总线来主控整个子系统。
该处理器通过两种系统总线来与片上的其他模块通信,分别为AHB总线和APB总线。
所有的总线都是从总线master上处理原始数据,而slave只能响应总线master。
在数据传送被建立之前,总线master必须询问总线拥有权。
这必须通过各master和arbiter之间的握手协议来建立。
总线层次中的两层被设计成对不同的性能需求提供最优的利用。
主系统总线AHB总线满足高速需求,并提供带有总线互连多元配置的32位数据路径;
APB总线在低数据传输速率时减小接口复杂性,通过APB总线桥来隔离高带宽AHB总线。
它支持16位的地址,16位和32位的数据路径。
图2.2MT6225微控制器单元子系统框图
MT6225作为MTK一款高性能处理器,它在手机硬件系统中作为CPU使用,控制系统的所有其他设备。
从图2.3MT6225应用框图中可以看到,手机系统作为一个嵌入式系统,其中的射频模块、存储模块、音频模块、显示模块、键盘、以及调试Debug接口均可以作为MT6225的外设器件,他们均由主基带芯片控制。
以下是MT6225具体参数:
高速分级的AMBAbus。
JAVA硬件加速器。
ARM7EJ-S执行频率有:
26/52/104MHz。
14DMA通道,专用的DMAbus。
看门狗。
3个硬件控制的UART,速度达到921600bps。
全速USB1.1设备控制器。
为音频提供DAI/PCM和I2S接口。
提供代码保护的安全键。
为数字和模拟电路提供电源关闭模式,处理器睡眠模式。
7个通道的辅助10位A/D转换器用来进行充电、电池检测和图片的检测。
DAI符合GSMRec11.10。
RF接口和基带前置端口。
与MICR、SPEAKER、MP3、RECEIVER、FM等音频接口。
实时时钟(RTC)。
最多支持3个外部设备。
2组PWM输出。
与SIM卡的接口。
与LCM、CAMERA的接口。
与键盘、USB的接口。
可寻址范围达64MB的外部存储器。
低功耗运行。
I/O1.8V~2.8V电压,片上内核1.8V/1.5V。
264-pinFPBGA12x12mm0.65mmpitch封装。
图2.3MT6225应用框图
MT6223作为MT6225的costdown版本,它在芯片设计架构上跟MT6225没有什么差异,区别仅在于因为成本原因,芯片内部减少了一些作为一款低端基带芯片不需要的功能,比如不能支持USB、CAMERA,且提供给客户较少的接口等。
以下是MT6223的主要参数:
集成声频、音频和基带模拟前置端。
ARM7EJ-SRISC内核。
26/52MHz。
7DMA通道,专用的DMAbus。
3个通道的辅助10位A/D转换器用来进行充电、电池检测和图片的检测。
最多支持4个外部设备。
与LCM的接口/与键盘的接口。
可寻址范围达32MB的外部存储器。
低功耗运行,I/O1.8V~2.8V电压,片上内核1.8V/1.5V。
2.1.2射频
所有硬件电路中的射频电路总体上均可以分为以下三大模块:
接收电路,发射电路,频率合成电路。
1、接收电路
接收电路由天线开关、射频接收滤波器、射频低噪声放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器等组成。
接收电路的输入频率在GSM的900MHz频段上,经过下变频到100MHz附近的某个固定中频上,然后由I/Q接收解调电路解调出100KHz以内的模拟同相/正交信号送逻辑/音频电路进行后级处理。
2、发射电路
发射电路主要由发射带通滤波电路、GSM发射调制器、射频功率放大器、发射功率控制器、天线开关等组成。
3、频率合成电路
频率合成电路提供接收、发射电路的本机振荡频率,它相当于可编程锁相环电路,可以通过为处理器电路完成频率的自动改变,在GSM手机中,一般采用13MHz主时钟信号作为频率合成电路的基准频率。
本文针对双卡双待中选用的双系统方案,分别选用了两片MTK公司的MT6139[7]作为双系统各自的射频芯片。
如图2.4射频模块应用框图所示。
图2.4射频模块应用框图
2.1.3电源
在硬件设计中,最为关键的部分就是电源模块的设计。
良好的供电关系是保证整个系统稳定的运行基础,也是核心。
MTK手机平台中电源供电模块由电池充电和电源处理两大部分组成,完成对整机各电路的供电,选用的是MT6318[7]作为本方案的电源管理芯片。
1、电源电路
GSM手机的电源电路多采用专用的电源芯片完成整机供电,电源芯片可以针对不同的电路对电池电量进行功率分配。
2、充电电路
充电电路在电池低电后完成对电池能量的补充,一般有两种形式:
一是直接采用充电控制芯片的充电电路,一是集成在电源处理芯片内部和外部控制管组成充电电路。
关于电源模块的设计,如何对两个系统进行供电,同时要保证没有漏电情况的发生,也是双卡双待项目的一个难点。
2.2外设部分
2.2.1SIM卡
SIM卡(Subscriber
Identification
Module
Card)是手机中的重要部分[10]。
SIM卡是一种符合ISO标准的微型智能卡(Smart
Card,俗称IC卡),IC卡内部装有微机集成电路,能够实现计算和安全存储信息。
SIM卡四大重要数据:
1、ICCID(IntegratedCircuitCardIdentity):
集成电路识别
这是SIM卡处理中心在对SIM卡进行个人数据处理过程中编制的流水号。
2、PIN(PersonalIdentityNumber):
移动电话用户的个人识别码
SIM卡本身是通过PIN码来保护的,PIN是一个四位到八位的个人密码,只有当用户输入正确的PIN码时,SIM卡才能被启用,移动终端才能对SIM卡进行存取,也只有PIN认证通过后,用户才能上网通话。
3、IMSI(IdentifierMobileSubscriberIdentity):
国际移动电话用户身份识别码
IMSI是全球唯一的,相当于模拟网的MIN号。
只有在归属移动交换服务中心(MSC)将移动电话机的号码与SIM卡的IMSI码进行统一处理以后移动电话才能使用。
4、RI(RandomIdentity):
随即识别码
这是SIM卡中的鉴权密钥,用于移动通信系统的鉴权,是在SIM卡生产过程中通过保密算法A3或A8随机生成的。
除上述识别码以外,SIM卡中还存储有用户接入等级,注册的业务种类及相关的GSM网络数据,同时也存入移动交换服务中心的本地位置登记器和鉴权中心。
在硬件结构上SIM卡由以下几个模块构成:
(1)CPU
(2)程序存储器(ROM)
(3)工作存储器(RAM)
(4)数据存储器(EPROM或EEPROM)
(5)串行通信单元
其专用终端接口有:
电源(VSIM)、复位(SIMRST)、时钟(SIMCLK)、数据(SIMDATA)和地端(GND)。
如图2.5所示SIM卡接口电路连线示意图。
图2.5SIM卡接口电路连线示意图
2.2.2LCD
LCD[17][18][19][32](LiquidCrystalDisplay)的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体,两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线,通电与否来控制杆状水晶分子改变方向,将光线折射出来产生画面。
使用RGB三色滤光片,一个像素点阵上由RGB3个区域,透出的光亮度不一样,RGB3个点的组合就能显示不同的颜色。
目前主流的种类是薄膜式晶体管型(ThinFilmTransistor,TFT)[18],TFT液晶显示器是在画面中的每个像素内建晶体管,可使亮度更明亮、色彩更丰富及更宽广的可视面积。
目前一般用于手机的TFT-LCD的连接方式[19]有以下几种:
MCU模式、RGB模式、VSYNC模式、SPI模式等。
1、MCU模式
MCU的连接模式,一般有8080系统和6800系统[21]。
数据传输有8/9/16/18位4种并行模式。
8080系统并行模式接口连线有:
CS(芯片选择)、RS(寄存器选择)、RD(读信号)、WR(写信号)和数据线,读写信号的每一次有效期只进行一次数据读写。
6800系统并行接口与8080系统并行接口差别是RD和WR信号线复用,且在写有效期间可以一次性写入多组数据,每一组数据需要一个E信号的下降沿来控制,读过程类似。
数据线有18根,根据位数的不同来选择数据线的根数。
其工作时序如图2.6和图2.7所示。
图2.66800系统并行接口工作时序图
图2.78080系统并行接口工作时序图
MCU接口模式下,数据是存到LCD芯片内部GRAM(graphicRAM),再往屏上写,常用于静止图片显示。
这种模式控制简单方便,无需要时钟和同步信号但是耗费GRAM,屏幕很难选用较大尺寸。
2、RGB模式
RGB接口有帧同步信号VSYNC、行同步信号HSYNC、基准时钟DOTCLK、写使能信号ENABLE、数据线。
VSYNC、HSYNC和DOTCLK是用来同步图像显示操作的。
工作时序图如图2.8所示。
图2.8RGB接口模式工作时序图
图中标号的含义是:
VLW:
VSYNC“LOW”period
HLW:
HSYNC“LOW”period
DTST:
Datatransfersetuptime
RGB接口模式也称为外部高速接口模式,不需要GRAM,直接把显示数据往屏上写,所以速度快,常用于显示动画或视频。
但是通常应用时会外加一个RAM,这样如果中断对屏的数据刷新,也不会出现白屏的现象。
3、VSYNC模式
该模式是在MCU模式下增加一根VSYNC(帧同步)信号线,保证同步显示,用于显示移动画面。
VSYNC每发出一个脉冲,都意味着下一帧的数据开始发送。
与RGB接口相比较,控制简单。
图2.9为VSYNC接口写移动画面数据时的工作时序图。
图2.9VSYNC接口模式写移动画面数据工作时序图
4、SPI模式
采用较少,联机为CS/,SLK,SDI,SDO四根线,联机少但软件控制比较复杂。
也有三线模式,即CS、SCL、SDA。
此两根线不是I2C总线,不需要上拉。
此种接口模式最大的方便性就是在于接口简单,体积小,可以极大的节省机身结构上的空间。
诺基亚的中低端机型均采用三线SPI模式。
5、MDDI模式
高通公司于2004年提出的接口MDDI(MobileDisplayDigitalInterface),通过减少联机可提高移动电话的可靠性并降低功耗,这将取代SPI模式而成为移动领域的高速串行接口。
联机接口为host_data,host_strobe,client_data,client_strobe,power,GND。
2.2.3CAMERA
CAMERA[13][14][32]模块总体可分为三部分:
最前端的为镜头,其实质就是一组玻璃透镜;
接下来为前段感光器件部分,称之为图像传感器[14];
最后则为后端图像处理芯片。
图像传感器部分在目前分为两大类,CCD和CMOS。
CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合元件)应用在摄影摄
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