一种野外便携式PAD的设计与实现

严纬华　庄东曙　丁宁

摘 要 本文设计开发了一款适用野外便携使用的PM760平板电脑。该款平板电脑具有较高的实用性和安全性，包括支持3G/4G无线通信、无线Wifi、百兆以太网，支持北斗/GPS定位功能，具有符合IP54标准的防尘防雨淋和防振抗跌落的三防特点。针对关机待机功耗问题，设计并应用了一种待机微功耗电路，从而实现关机“零”功耗（毫瓦级）功能。

关键词 PAD;三防;低功耗

引言

相比于传统笔记本电脑，平板电脑的体积小、重量轻、功耗低，支持多模态输入，并且具有较好的人机交互界面，更适合野外工矿条件下使用。在野外环境下，平板电脑可以在线同时操作多个便携、移动应用，包括现场数据采集、移动数据交互、多种设备监测、中心测控调度、精确导航定位及实时通信功能[1]。

目前市面上的大多数平板电脑不具备无线漫游通信功能，且仅适用于家庭娱乐和普通环境办公，一旦离开固定的使用场所，则难以使用其通信功能。此外，在一些特殊环境条件下，例如室外雨天、地震灾区、煤坑矿井等，普通平板电脑的三防标准很难满足上述的作业环境。文献[2]介绍了一款无风扇、工业级平板电脑PPC-L62T，其工作温度范围、机身防水、防尘、抗震、抗冲击的效果也出类拔萃，缺点是不具备漫游通信功能。文献[3]介绍了一种基于安卓开发的專用平板电脑设计与实现，该款专用平板电脑仅支持3G信号，漫游移动通信速率较低。因此，开发一种能随时随地进行信息交流和信息处理，并且满足野外便携使用的工业化平板电脑（即PAD）显得尤其迫切。

本文设计并开发了一款三防加固型PAD终端，其具有3G/4G移动通信功能，支持无线WI-FI、USB2.0和百兆以太网通信，具有北斗/GPS定位功能，设备支持Windows操作系统及应用，符合IP54标准，适合野外等特殊工矿条件下使用。

1整体设计

1.1 设备简介

本文介绍的野外便携式PAD，具有3G/4G移动通信功能，支持终端到中心的C/S典型系统架构应用。本案的PAD通过无线WI-FI、USB2.0和百兆以太网通信等通信方式，可以连接各类传感器，具有将采集的实时数据信息及媒体处理数据通过广域网发送给中心服务器，中心服务器通过数据分析对各个终端进行实时监控和调度。各终端以及中心服务器通过3G/4G无线网络实现互联互通。

1.2 设备组成

PM760平板电脑（PAD）为一款野外便携电脑，外观图如图1所示。其外部附件包括：充电适配器、 USB（航联）用户数据线、LAN（航联）用户数据线。

平板电脑（PAD），由ATOM N455核心处理模块、电路主板、3G/4G无线通信模块、北斗/GPS定位模块、Zigbee无线模块、Wifi无线模块、充电管理电路、锂电池组，以及10英寸TFT电容式触摸显示屏组成。平板电脑（PAD）的电路组成框图如图2。

平板电脑（PAD）的整机性能指标参数，主要是：尺寸：29cm*20.9cm*2.8cm;主板：SOM-7562 B1;存储：60GB SSD;显示分辨率：1280*800 ;无线通信：3G/4G;局域网：802.11b/g/n;Zigbee。

北斗/GPS频段：北斗：B1 1561.098MHZ;GPS ：L1 1575.42MHZ 。

北斗/GPS灵敏度：-160dbm@跟踪;-145dbm@捕获               运行温度：-10℃-+55℃。

定位精度：2.5m;以太网口：10/100M bps;USB 接口：USB 2.0。

电池容量：14.8V/4AH;整机功耗：20W;续航时间：3h。

1.3 核心板

本文选用研华公司设计开发的SOM-7562 B1核心板作平板电脑的主板。SOM-7562核心板采用英特尔N455凌动处理器，最高运行速度达到1.66GHz。该款核心板支持Windows操作系统，具有高性能、低功耗、可扩展性强的优点。

2主要技术特点

本文设计的野外便携式PAD主要技术特点包括：集成多种无线通信体制、三防一体化工业结构设计和电源管理设计。

2.1 多模无线通信方式

主要有：3G/4G 无线通信;北斗/GPS接收;Zigbee无线自组网;WI-FI无线局域网。

本文设计的PAD集成上述多种无线通信体制，并且采用内置天线，其优点是系统结构紧密，但是内部诸多无线通信子系统同时工作时，存在互相影响、互相干扰的问题。因此采取多模天线CAD 预仿真及效率评估，优化布局及优化天线参数设计，并在硬件电路设计中采用模块分割及模块屏蔽措施，以及电路采用抗EMI设计措施，使其多模兼容工作时达到互相影响最小，即解决多模融合下的电磁兼容性问题。

2.2 三防一体化工业结构设计

现代电子产品趋向集成化的发展，使得产品精度和可靠性的重要性越来越大。国外研究表明，近五成的电子仪器设备运行不良是环境因素造成了，如湿度、温度和振动三个因素导致电子设备运行不良高达43.58%[4]。因此，电子设备的三防设计十分重要。本文在设计PM760平板电脑时，主要考虑到防尘、防雨淋和抗震防跌落的三防特点。

（1）防雨淋防尘设计：设备的外接口，全部采用防水型航空连接器，使得设备与外部的连接接口实现防水功能。设备外壳的合拢面使用橡胶垫圈，其形状类似于“O”形，优点是使用螺丝固定后，对接面可以形成密封圈。此外，音频接口添加防水膜层，该防水膜层具有透气不透水的功能，这样就具有阻隔水分子的通过且能传播声音的效果。

（2）防跌落抗震设计：防水航空连接器具有互锁功能，防止设备受到震动时连接器脱落，提高连接可靠性。设备外壳的四个角添加橡胶保护垫，防止跌落时损坏。