基于ＰＸＡ２５０的ＧＰＳ，Ｔ－ＤＭＢ智能手机方案实现
摘 要：GPS，TDMB功能现今已成为手机新功能应用的热点。从GPS技术、TDMB技术和GSM等各功能模块的特点出发，介绍了一种低成本、多功能的智能手机的设计方案。在该手机方案设计上，充分利用PXA250的强大的处理能力，较简便地实现了GPS导航功能以及TDMB电视接收功能，并阐述该款产品的硬件设计和软件设计实现。从优化软硬件设计的角度阐述如何以较低的成本来实现几项高端的手机功能。
关键词：GPS；TDMB；Windows CE5.0；SIM300;手写输入；智能手机
中图分类号：TP302.1 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1606605
Realization of GPS and TDMB Smart Phone Based on PXA250
ZHU Pengcheng
(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai,200030,China)
Abstract：Nowadays,GPS and TDMB functions become more and more popular on cellular phone.This paper introduces a lowcost,multifunctional smart phone design based on the characteristics study of GPS,TDMB and GSM solutions,makes full use of PXA250 powerful processing capability,the realization of a more simple GPS navigation functions,as well as TDMB TV reception,and explains the product's hardware design and software design to achieve.In this paper,the innovation lies in the optimization of software and hardware design point of view on how to lower the cost to the achievement of several highend mobile phone features.
Keywords：GPS；TDMB；Windows CE5.0；SIM300;handwriting input；smart phone
1 概 述
1.1 总体介绍
随着科技的不断进步，很多曾经只能靠头脑想象的新技术逐步变为现实，并融入到人们的日常生活中。GPS，DMB在便携式产品（比如PMP，PND）上的集成应用，是一个很典型的例证。
本文着重于在目前比较热门的Smart phone上集成实现GPS（Global Positioning System，全球定位系统）导航功能，并同时支持在韩国和中国已经商用的TDMB（Terrestrial Digital Multimedia Broadcast,地面数字多媒体广播）电视接收功能，同时支持USB，SD card、触摸屏、蓝牙等功能。硬件核心处理器采用Marvell PXA250，软件操作系统采用Windows CE 5.0，这是一款性价比较高的商务智能手机设计方案。
1.2 产品功能简介
该产品定位是一款定位在高端的集成了GPS功能和TDMB功能的智能手机，目标人群为商务人士和高级白领，产品形态为直板手机，内置双扬声器，电池容量为2 000 mAh。详细功能如下所示：
（1） 主要功能特点
智能操作系统Windows CE5.0，GPS导航、TDMB电视接收功能，3.2” QVGA 262K色 LCM，手写输入，蓝牙功能。同时，软件支持WAP2.0、电子词典、office 软件（word，Excel，power point等）、MP3、MP4功能等。
（2） 关键芯片方案选型
该设计关键芯片方案及功能如表1所示：
2 系统框架图
图1是整个手机系统方案实现的框架图。PXA250作为主控制器，GSM，GPS，Bluetooth，TDMB作为硬件模块与PXA250进行端对端通信，由PXA250对各个部分进行统一管理控制，从而实现各项功能。
3 硬件组成和功能
3.1 PXA250应用处理器
3.1.1 PXA250性能简介
Intel XScale微体系结构提供一种全新的、高性价比、低功耗且基于ARMv5TE体系结构的解决方案，支持16位Thumb指令和DSP扩充。基于XScale技术开发的微处理器，可用于手机、便携式终端（PDA、PND等）、网络存储设备、骨干网（BackBone）路由器等。Intel PXA250微处理器芯片就是一款集成了32位Intel XScale 处理器核、多通信信道、LCD控制器、增强型存储控制器和PCMCIA/CF控制器以及通用I/O口的高度集成的应用处理器。
Intel XScale处理器的处理速度是Intel StrongARM处理速度的两倍，其内部结构也有了相应的变化：
(1) 数据Cache的容量从8 kB增加到32 kB；
(2) 指令Cache的容量从16 kB增加到32 kB；
(3) 微小数据Cache的容量从512 B增加到2 kB；
(4) 为了提高指令的执行速度，超级流水线结构由5级增至7级；
(5) 新增乘/加法器MAC和特定的DSP型协处理器CP0，以提高对多媒体技术的支持；
(6) 动态电源管理，使XScale处理器的时钟可达1 GHz、功耗1.6 W，并能达到1 200 MIPS。
XScale微处理器架构经过专门设计，核心采用了英特尔先进的0.18 μm工艺技术制造；具备低功耗特性，适用范围从0.1 mW～1.6 W。同时，它的时钟工作频率将接近1 GHz。 XScale与StrongARM相比，可大幅降低工作电压并且获得更高的性能。
具体来讲，在目前的StrongARM中，在1.55 V下可以获得133 MHz的工作频率，在2.0 V下可以获得206 MHz的工作频率；而采用XScale后，在0.75 V时工作频率达到150 MHz，在1.0 V时工作频率可以达到400 MHz，在1.65 V下工作频率则可高达800 MHz。超低功率与高性能的组合使Intel XScale适用于广泛的互联网接入设备，在因特网的各个环节中，从手持互联网设备到互联网基础设施产品，Intel XScale都表现出令人满意的处理性能。
3.1.2 PXA250系统结构
Marvell Xscale PXA250的结构框图如图2所示：
3.1.3 PXA250处理器的主要特点
(1) 高性能
低功耗，高性能的32位Intel XScale处理器内核，工作频率高达400 MHz； 兼容ARMv5TE架构； 采用7级超级流水线结构； 支持多媒体处理技术，采用40位累加器和16位乘法器,以增强对音频和视频的解码能力； 提供支持同步Intel StrataFLASH存储器的高性能分帧和分页模式接口。
(2) 低功耗
多电源管理模式； 32 kB数据和32 kB指令Cache； 2 kB的微小数据Cache； 支持2.5 V和3.3 V的存储器。
(3) I/O扩展
100 MHz存储器总线，6个静态存储空间（16或32位ROM（SMROM）/FLASH/SRAM），4个动态存储分区（16或32位SDRAM）； 支持2个PCMCIA 或 Compact FLASH槽。
(4) 外围控制模块
16通道可配置DMA控制器； LCD控制器，独有的支持对快变彩屏的DMA方式； 920 kb/s Bluetooth接口； 串行端口（IrDA,I.2C,I.2S,AC97,3个UART,SPI 和SSP）； USB接口； 支持MMC/SD卡。
(5) 时钟控制
32.768 kHz振荡器； 3.6864 MHz振荡器； 可编程的内核锁相环； 95.85 MHz外围固定频率锁相环； 147.46 MHz固定频率锁相环。
(6) 电源管理
运行模式（正常处理模式）、Turbo模式（运行于400 MHz）、空闲模式（下电）、睡眠模式（下电）。
(7) 封装形式
17 mm×17 mm 256脚PBGA封装。
3.2 GSM模块
本方案中的GSM/GPRS module采用的是业界应用最广泛的SIMCOM的SIM300模块，以下是对该模块的简要介绍。
3.2.1 基本功能
该模块的基本技术参数和如下：SIM300是小体积即插即用模块中完善的三频GSM/GPRS 解决方案.使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz功能的SIM300以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。
SIM300的优良性能使得该模块在行业中得到了广泛应用，例如WLL、M2M、手持设备等。支持用户定制的MMI和键盘/LCD；内嵌强大的TCP/IP协议栈 ；基于成熟可靠的技术平台，以及提供从产品定义到设计和生产的服务支持。
3.2.2 基本特点
三频GSM/GPRS 900/ 1 800/1 900 MHz;
GPRS (class 10/8) 标准;
GPRS（class B） ;
满足GSM（2/2+）标准;
–Class 4（2W@850/900 MHz）
–Class 1 (1W@1 800/1 900 MHz)
尺寸：40 mmx33 mmx2.85mm;
重量：8 g;
通过AT命令控制（GSM07.07，07.05和增强AT命令）
SIM应用工具包
支持电压范围:3.4~4.5 V;
低功耗正常操作温度： -20~55 ℃;
限制操作温度：-30~20 ℃和+55~+80 ℃;
存储温度：-40~+85 ℃。
3.2.3 模块外形尺寸
SIM300的外形如图3所示。
3.2.4. 模块接口
SIM300模块的接口是60 pin，采用双排板板连接的方式。
3.3 GPS模块
3.3.1 芯片简介
GPS硬件是选用目前业界性能最好的SiRF公司的SiRFStar Ⅲ，包括GSC3和GSC3f。拥有一个140 pin的GPS信号处理器，内嵌一个50 MHz ARM7TDMI处理器，可使 OEM厂商整合多种应用功能。其中，GSC3f因整合4 Mb的FLASH，不再需其他的零组件，因此能简化GPS接收器到电路板中的相关线路设计。另外，SiRFstarⅢ也提供TTFF快速首次定位功能，并比SiRF减少占用约20％的硬件空间，也较上一代的SiRFstarⅡ省电，除在车上导航、手持式设备的应用外，其他特殊应用，如：超小型行动电话、电力受限的智能型装置或数码相机。其主要特点如下：
灵敏度：-159 dBm；
特色：省电、简化线路设计；
尺寸：27.9 mm×20 mm×2.9 mm；
精准度：Position：10～20 m；
工作电压：3.3 V；
接收频道：20颗卫星频道。
3.3.2 GPS模块电路原理图
对于该部分的电路原理图如下图4所示：
3.4 TDMB部分
TDMB的前端Tuner即Demodulator部分是采用韩国Integrant的IDT3020方案，该方案集成度较高，而且灵敏度较好，同时也比较适合中国国内市场的需求（L Band和Band III都需要支持）。IDT3020介绍如下：
3.4.1 IDT3020内部结构框图
在目前国内的TDMB网络环境架设中，确实存在2个频段的情况：上海采用的是LBand，而北京和广东采用的是Band Ⅲ。IDT3020恰好兼容了两个频段（Band Ⅲ和LBand）的接收，如图5所示。
3.4.2 TDMB电路原理图分析
TDMB电路原理图分析如图6所示。
4 软件设计实现
本文的产品是基于Windows
CE5.0平台来进行开发实现的，作为操作系统，一方面需要去协调管理各项任务，同时也担负着GPS、DMB等功能的数据运算及方法实现。
4.1 Windows CE5.0软件
Windows CE是一个功能强大的实时嵌入式操作系统。微软表示，目前美国英特尔、美国IntermecTechnologies、美国ViewSonic、韩国Humax、韩国LG电子以及韩国三星电子等超过60家OEM及半导体厂商支持WindowsCE5.0。最终版的重点将放在大幅提高开发人员的生产效率方面。除了扩大硬件支持范围和增强安全性外，还将追加高性能多媒体功能等。该产品适用于民用电子设备、网关、工业控制器、移动及手持设备以及IP机顶盒等。
在硬件支持方面，可利用面向ARM,MIPS,SuperH以及x86等主要芯片进行最优化处理的50多种驱动软件。此外，还可使用现行WindowsCE的250多种样品驱动软件。
在安全性方面，该产品配备了可自动设置高级安全性的功能。开发人员可以根据设计需要变更设置。配备自动报告错误的功能“WindowsErrorReporting”和自动测试工具“Windows CE Test Kit”等。
该产品还支持面向桌面的多媒体API群“DirectX”的移动版“Direct3DMobile”。因此“配备WindowsCE的设备可以利用与桌面环境同样的高性能富媒体功能”（微软）。此外还配备可快速播放信息的“FastStart”功能。
4.2 GPS导航软件
2003年至今，全国共审批了北京四维图新、上海畅想、北京高德、北京灵图、北京瑞图万方、凯利德、武汉吉奥、易图通、国家基础地理信息中心共9家具有国家甲级测绘资质的电子地图企业。前三者已占据了整个导航地图数据90%以上的市场。本方案是采用凯利德的电子地图软件及引擎，该家软件性能较好，地图较详细完整并且价格相对较便宜，具有较高的性价比。本设计中凯立德地图容量在500 MB左右，存放在MicroSD卡上。
4.3 DMB软件
本方案DMB比较核心的DMB的TS流解码（格式H.264）是采用PXA250通过软件实现，所以对PXA250的CPU性能要求较高，实践证明需要采用400 MHz以上的主频才能流畅实现DMB的播放功能。对于DMB协议部分的软件韩国由于已经经过大批量的商用检验，协议栈已经非常成熟，该设计中是采用Nextstreaming的协议栈。
4.4 时钟和电源管理
对于便携式设备（尤其是本设计集成了TDMB和GPS等多项功能）来说，功耗相当关键。为了达到处理性能和能量消耗之间比例的最优化，用时钟和电源管理器来控制不同模块的时钟频率并处理不同能量管理操作模式之间的转化。时钟和电源管理器为每一个外设提供固定的时钟，并且为LCD控制器、存储器控制器和CPU提供了可编程的频率时钟，这些时钟均来自内部锁相环时钟源。时钟管理器还可通过关闭不用设备的时钟来减少功率损耗。
电源管理提供4种工作模式：Turbo模式、运行模式、空闲模式和睡眠模式。Turbo模式下，CPU核运行在峰值频率，为避免内核对外部存储器的等待时间，在该模式下，很少对外部存储器进行存取；运行模式下，CPU核运行于正常标准频率，可以假定内核不断地对外部存储器进行存取，运行速率的减慢对于性能与功耗的最佳平衡是有利的；在空闲模式下，暂停到CPU的时钟，但是使能到外围器件的时钟；睡眠模式下，整个系统将处于最低功耗状态，要唤醒睡眠状态必须重新启动系统。
5 结 语
本文论述分析的这款产品设计还是相对比较复杂，功能也比较多，比较强，在设计和调试上还是很比较有挑战性。另一方面，相对而言这个方案的BOM成本是比较低的，因而该产品还是具有较高的性价比。
参 考 文 献
［1］Intel.R PXA250 and PXA210Applications Processors Design Guides， Intel datasheet，February，2002.
［2］Intel XScale Microarchitecture.http://www.developer.intel.com.
［3］Bluecore4-ROM CSP EDR Product Datasheet，CSR Product Information，http://www.csrsupport.com/DataSheets?lang=zh-cn.
［4］DFBM CS322 Bluetooth Module，Delta Datasheet,Jan.25,2006，http://www.mobilerefer.com/spzs/Show_product.asp?id=720.
［5］SIM300 Hardware Specification,SIMCOM Ltd.,9.th May,2006，http://www.sim.com.
［6］GSC3f Datasheet,SiRF,February 2005，http://www.sirf.com/products/gps_chip.html.
［7］许立云.智能手机开发平台QT中软键盘的实现及改进\.现代电子技术,2006,29(2):1820.
