Software & Systems

На современном рынке электроники существует большое многообразие планшетных компьютеров, отличительной чертой которых является наличие сенсорного экрана. Это устройство ввода и вывода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. Достоинствами данного приспособления являются прежде всего простота интерфейса и наличие достаточно большого экрана в аппарате небольшого размера. Планшетные компьютеры массового назначения, как правило, имеют различные встроенные интерфейсы беспроводной передачи данных, такие как Bluetooth, инфракрасный порт, Wi-Fi. Это является существенным недостатком с точки зрения безопасного обмена информацией. Например, основным методом взлома современного протокола шифрования данных сетей Wi-Fi (WPA2) является подбор. Исключение вышеперечисленных интерфейсов из устройства (использование проводных сетей) позволяет существенно увеличить безопасность передачи данных и снизить его рыночную стоимость. Естественно, что для нужд предприятия заказ даже относительно большой партии таких устройств у крупной фирмы-производителя является непростой задачей.

В настоящей статье предлагается решение разработки планшетного компьютера, обеспечивающего не только программную, но и аппаратную защиту, а также пригодного для промышленного использования. Аппаратные средства защиты взломать намного сложнее. Кроме того, встроенная защита обеспечивает гибкость и освобождает от необходимости устанавливать и настраивать программы. Разработка представляет собой набор электронных схем. Сложность задачи в том, что стоимость данного аппарата не должна быть выше стоимости рыночного аналога. К тому же необходимо реализовать его автономную работу в течение заданного времени, что тоже является трудной задачей ввиду определенных требований к материнской плате. Разработку оборудования можно реализовать несколькими способами.

Первый вариант разработки модели планшетного компьютера

Рассмотрим создание модели на базе материнской платы Gateway M 280G Intel Socket 479 Motherboard 31TA1MB0041. Ее основные характеристики следующие: Chipset Manufacturer – Intel, Form Factor – ATX, Graphics Card Type – Integra­ted, Application – Laptop, Socket Type – Socket 478, Memory Type – DDR2, Hard Drive Interface – SATA, Brand Name – Gateway, OEM Part Numbers – 31TA1MB0041, DA0TA1MB6D0.

Данная материнская плата использовалась в ноутбуке Gateway M 280G. Ее достоинствами являются наличие самых распространенных и удобных на настоящий момент характеристик (встроенный процессор Intel Atom и видеоконтроллер, оперативная память DDR2, подключение жесткого диска через SATA-интерфейс), небольшой размер (22´23 см), цена ($50 за бывшую в употреблении). Присоединение к ней 15-дюймовой матрицы и сенсорного экрана через USB-интерфейс (USB Panel Kit Set – Add Touch Screen Function) не представляет никакой сложности. Питание данной платы уже реализовано через аккумулятор, поскольку она выпускается для ноутбука. Этот метод возможен, так как все характеристики элементной базы отвечают техническому описанию проекта. Основной недостаток разработки планшетного компьютера данным способом – высокая стоимость новой материнской платы из-за того, что она не позиционируется производителем как самостоятельное изделие, а является запасной частью к ноутбуку. Это делает разработку планшетного компьютера таким способом неактуальной, так как на рынке существует большой выбор аналогов c меньшей стоимостью.

Второй вариант разработки модели планшетного компьютера

В качестве основы выберем материнскую плату, форм-фактор которой mini-ITX. Как известно, на рынке существуют форм-факторы и меньших размеров, например pico-ITX (100´72 мм), но они пока не получили широкого распространения, так как стандарт pico был введен в 2007 году и материнские платы этого форм-фактора выпускаются лишь тайваньской компанией VIA Technologies и международным холдингом Kontron. В качестве примера стандарта pico можно взять модель pITX-SP (Kontron). Эта плата поддерживает процессоры Intel Atom Z5xx (с частотой до 1,6 ГГц), базируется на чипсете Intel System Controller Hub US15W и имеет память DDR2 объемом до 1 Гбайт.

Предлагается разработать планшетный компьютер на материнской плате Intel D525MW (170´170 мм). Форм-фактор этой платы mini-ITX. Приведем ее спецификацию с указанием технических характеристик отдельных элементов.

·       Процессор – DualCore Atom D525 (1,8 ГГц); поддержка технологии Intel HyperThreading.

·       Чипсет – Intel NM10 (PCH).

·       Системная память – два 204-контактных слота для DDR3 SDRAM SO-DIMM; максимальный объем памяти 4 Гбайт; поддерживается память типа DDR3 800/1066.

·       Графика – поддержка Intel Graphics Media Accelerator 3150

·       Возможности расширения – один слот PCI; восемь портов USB 2.0 (четыре встроенных + четыре дополнительных); звук High Definition Audio 5.1; сетевой контроллер Gigabit Ethernet.

·       Дисковая подсистема – поддержка прото­кола SerialATA 3 Gb/s (два канала NM10).

·       BIOS – 8 Мбит Flash ROM; Intel BIOS с поддержкой Enhanced ACPI, DMI, Green, PnP Features; технология Intel EventLog; индикатор питания.

·       Разное – два последовательных порта и один параллельный порт, разъемы для PS/2 клавиатуры и мыши; STR (Suspend to RAM).

·       Управление питанием – пробуждение от модема, мыши, клавиатуры, сети, таймера и USB; основной 24-контактный разъем питания ATX; дополнительный 4-контактный разъем питания.

·       Размеры – форм-фактор Mini-ITX 6,7´6,7 дюйма.

Созданный планшетный компьютер является мобильным и питается от аккумулятора. Это обусловливает изменение всей системы питания материнской платы и исключает использование стандартного блока питания. Питание созданного планшетного компьютера реализовано на основе ШИМ-генератора.

Основная причина использования ШИМ – сложность обеспечения напряжением 3В, 5В, 12В питания материнской платы. В представленной задаче есть постоянное напряжение питания (в сети и от аккумулятора), на его основе нужно получить более низкое, и уже его подавать на контакты материнской платы. Можно использовать делитель напряжения, но у него малый КПД и повышенное выделение тепла. Другой вариант – транзисторная схема, которая также позволяет регулировать напряжение, но наибольший нагрев транзисторов происходит в полуоткрытом состоянии. И если такой КПД допустим, выделение тепла непозволительно велико. Именно поэтому решено использовать транзисторную схему, но только в пограничных состояниях (вкл/выкл), а полученный выход при необходимости сглаживать LC-цепоч­кой (фильтром). Такой подход весьма энергоэффективен (см. рис.).

Данный метод легко реализовать ввиду большого разнообразия микросхем MAXIM и ISL (возможность программного управления уровнем напряжения), широкой элементной базы как микросхем ШИМ-генерации, так и нескольких полевых транзисторов в одном корпусе. Кроме того, получается большая сила тока при маленьком размере самой схемы.

Для решения задачи питания материнской платы требуется собрать три ШИМ-генератора, напряжение с каждого из которых идет на разные входы материнской платы.

Следующим этапом создания устройства является обеспечение функционирования матрицы ноутбука в качестве экрана. Прямое подключение с правильным соотношением сигналов невозможно, так как матрица не является аналогом монитора, который состоит из матрицы и контроллера. Этот контроллер осуществляет перевод сигнала из VGA/DVI, выдаваемый обычной видеокартой, в LVDS, который матрица воспринимает отдельно, а также дополнительную обработку сигнала (четкость, цветовая температура, on-screen-меню). В ноутбуке такого контроллера нет, там матрица напрямую подключена по LVDS к видеоадаптеру, поэтому отсутствуют настройки четкости и положения картинки. Нет также on-screen-меню, простого способа изменения цветовой температуры, а также возможности прямого подключения матрицы к обычному VGA/DVI-вы­ходу.

Существует схема подключения матрицы с помощью простейшего контроллера (по одному старшему биту на цвет). На контроллере стоит идентификатор (DDC), который настраивает видеокарту под матрицу, например 640´480´60 Гц, 800´600´60 Гц. Но в этом контроллере отсутствует алгоритм переключения видеорежимов, что не отвечает требованиям к разрабатываемому устройству. По этой причине принято решение использовать ЕРМ-1525 – специальный приемно-передающий модуль интерфейса LVDS. Он предназначен для расширения функциональных возможностей устройств, в которых такой интерфейс не предусмотрен. Модуль представляет собой конвертер интерфейса VGA/DVI в интерфейс TTL/LVDS с возможностью нелинейного масштабирования изображения. Основными достоинствами данного выбора являются поддержка одноканального 18/24-бит TTL и двухканального 18/24-бит LVDS, поддержка преобразования сигналов VGA/TMDS/YPcPr в LVDS с разрешением SXGA/UXGA/WSXGA+/WXGA+, а также напряжение питания +12 В.

Таким образом, задача создания планшетного компьютера сводится к функционированию материнской платы Intel D525MW, питание которой будет осуществляться от аккумуляторной батареи с применением микросхем ШИМ-генерации. Также реализованы использование матрицы (экрана) от портативного компьютера (ноутбука) и передача изображения на нее через DVI-выход.

Литература

1.     Бензарь В.К. Словарь-справочник по электротехнике, промышленной электронике и автоматике. Мн.: Выш. шк., 1985. 76 с.

2.     Джонс М.Х. Электроника – практический курс. М.: Постмаркет, 1999. 29 с.

3.     Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. К.: МК-Пресс, 2007. 180 с.

4.     Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. 284 с.