基于Linux和Qt5的简易平板的设计与实现

主要研究内容是与Linux和Qt5有关，通过对Linux系统的移植掌握Uboot编译，Linux内核裁剪，文件系统挂载等相关操作，还熟悉驱动的挂载和卸载，设备树的编写等。

通过编写Qt5应用程序，了解C++语言编程，明白槽和信号的运行机制，熟悉各个模块之间的调用关系。

通过对整个系统从硬件到软件的设计，了解产品开发的大致流程。

本系统分为硬件部分设计，系统部分设计，应用部分设计三大部分。硬件部分设计包括从器件选型开始，主控芯片，屏幕，扬声器，电池管理等，再到原理图绘制，PCB布局布线，嘉立创打板，焊接等一系列流程。

系统部分设计包括交叉编译器安装，Uboot移植，Linux内核裁剪编译，文件系统裁剪挂载，Tslib移植，Mplayer移植，Qt移植，驱动程序移植，驱动程序编写，脚本语言编写等。

应用部分包括视频播放，音乐播放，照片播放，查看日期时间，查看天气，查看温湿度，查看设置，阅读电子书，使用记事本，使用计算器，玩nes游戏等。

通过对这三大部分的设计，完成一个具备平板部分功能的设备。

设计分析

1.硬件电路设计分析

硬件电路设计主要分为好几个模块进行开发，这样开发的好处就是模块之间可以组合使用，在后续开发别的产品时能充分利用。

大致可以分为四个模块：

主控核心板

主控底板

充放电管理模块

串口调试模块

充放电管理模块主要就是负责电池管理，充电，放电，电池保护等。

串口调试模块主要在开发阶段使用，通过打印信息到PC终端可以对设备软件部分进行开发，调试，设计完成之后就不需要了。

主控核心板主要是主控和其外围电路，构成一个最小系统，单个主控板就可以使用，可以随意的扩展底板，做音乐播放器，做网络摄像头，做语音助手都可。

主控底板就是简易平板的核心外围器件，主要有耳机接口，功放芯片，时钟芯片，屏幕接口，触摸接口，WIFI模块，震动马达接口，麦克风，一键开关机电路，陀螺仪芯片，温湿度芯片，LED和少许按键等。

通过这些外围器件构成简易平板和外界进行信息交换的渠道。

2.系统移植设计分析

这一部分是核心部分，也是最为复杂的部分，但又是最容易使用的部分，因为这部分一般都是芯片原厂开发，然后提供给用户使用。

也就是说关于这部分是可以通过简单配置直接使用的。

首先就是Uboot编译，Uboot是一段启动代码，和芯片底层进行打交道，包括系统时钟配置，DDR初始化等一系列操作。

Uboot启动之后会进行设备树和Linux内核加载，需要我们移植Linux内核，Linux内核整个十分庞大，我们只需要移植需要的部分，也就是需要进行内核裁剪，裁剪编译之后我们就需要挂载文件系统，文件系统是后续文件存储的部分，也是直接接触的部分。

关于文件系统有好几种选择，可以选择最小文件系统，只有十几MB大小，也可以选择Debian系统，分为带桌面和不带桌面的。

文件系统的编译，也有好几种方式，本系统采用Buildroot进行编译最小文件系统。

3.驱动开发设计分析

在前面我们进行了硬件开发和系统移植，接下来就进行驱动开发，这部分主要就是对硬件设计部分进行开发，用设备树进行引脚功能定义，用Linux内核进行驱动开发，可以编译成Ko模块加载，也可以直接编译进内核，直接编译进内核之后，上电会自动加载。

需要进行驱动开发的有以下器件。

WIFI模块驱动开发去进行联网，时钟模块驱动开发进行时间显示，温湿度模块开发进行温湿度获取，震动马达驱动开发去控制马达震动，触摸驱动开发去使能屏幕触摸效果，一键开关机电路驱动开发实现开关机，按键开发进行音量设置，还有以太网驱动开发，RGB屏幕驱动开发，麦克风驱动开发等。

通过编写驱动程序，简易平板就可以和外界进行信息交换，为后面应用开发做准备。

驱动开发是最为复杂的，最容易出错的，最费时间的，最不容易找到问题的。

4.应用开发设计分析

驱动开发之后，说明本设计已经具备和外界进行信息交换的能力，但具体如何去做，需要去进行应用开发。

应用开发也就是在Linux系统上使用系统应用函数API去和硬件驱动打交道。

本系统设计的是简易平板，肯定要实现平板所能做的一些事情，视频播放，音乐播放，图片播放，温湿度获取，天气查询，阅读电子书，查看时间，查看日历，记事本，NES游戏，屏幕背光调节，手电筒等。

应用程序通过Qt5进行编写，Qt是一个可跨平台的，灵活性高的开发软件，简单好移植，可以很好的应用在嵌入式设备上。

5.3D外壳设计分析

在设计的最后阶段，要进行简易平板的包装，不能给用户一个裸板去使用。

用立创EDA专业版进行3D外壳的设计，操作简单，并且可以在绘制完电路板之后直接在画的PCB文件中进行设计，不用PCB设计软件和3D建模软件之间来回切换，大大节省了开发时间。

3D外壳设计的时候要注意几个点，首先要保证散热，不能全封死，对于按键，SD卡槽，USB接口，耳机口这些要进行开槽处理，屏幕部分可直接包住，屏幕外边框不显示。

设计框图

1.整体设计框图

该框图介绍了整体设计的思路，先从硬件电路出发，经过系统移植、驱动开发、应用开发和3D设计的操作，一步一步介绍构造简易平板的全过程。

2.硬件电路设计框图

该框图介绍了简易平板的硬件构成，包括一些器件的选型和对应功能电路，比如一键开关机、耳机功放切换电路等，可见设计一个产品需要包含很多的器件。

3.系统移植设计框图

该框图介绍了简易平板的系统移植，从三个方面出发，Uboot移植，Linux内核裁剪到最后的文件系统编译，介绍了Linux系统硬件平台的系统层面的基本操作。

4.应用开发设计框图

该框图介绍了简易平板的应用APP，可以直观的看到简易平板开发了丰富的应用程序，这些基本的应用程序可以满足日常的需求，介绍了一个产品需要众多软件的支持。

硬件设计

1.核心板介绍

核心板设计大小为3cm * 5cm,采用四层板进行设计。

核心板设计的目的是为了方便扩展，主要是构建基于主控的最小系统，单核心板就能够运行。

核心板设计硬件包括全志的V3S主控芯片，以及一些V3S的外围电路，晶振，复位等，还使用了一个DCDC芯片EA3036可提供3路电源，用来给V3S提供电源。

和底板连接接口使用MINI PCIE接口，MINI PCIE可以引出56个引脚，核心板上引出RGB屏幕的FPC排座，这样去掉RGB屏幕的引脚，剩下的引脚基本上可以全部引出。

核心板还板载了一颗W25N01GVZEIG存储芯片，可用来存储系统，然后不需要SD卡运行启动。

2.底板介绍

底板设计大小为7.6cm * 10cm,采用两层板进行设计。

底板设计的主要功能就是构造简易平板所需的功能，包括一键开关机电路，电池接口，RTL8723BS WIFI蓝牙模块，耳机，8002B功放芯片，DS3231时钟芯片，SHT30温湿度芯片，MPU6050陀螺仪芯片，震动马达接口，SD卡接口，音量加减键，关机键，复位键，还板载了RGB屏幕背光电路等。

通过底板上这些器件的运行可以保证实现本系统所需要的功能。

3.硬件电路原理图分析

1.全志V3S主控芯片原理图设计

本系统使用的主控芯片是全志的V3S，是ARM Cortex-A7架构，主频最高支持1.2GHz，空载运行电流 90~100mA，满载运行电流~180mA，集成 64MB DDR2，可从8~32MB SPI Nor Flash、128MB Nand Flash和SD卡等设备启动。

有一个RGB666屏幕接口，支持常见的 272x480, 480x800,1024x600 等分辨率。

拥有一路100M Ether接口（含 EPHY），一路OTG USB接口，两路Speaker接口和一路Mic接口等资源，非常适合开发多媒体设备，满足简易平板的应用需求。

2.EA3036电源芯片原理图设计

本系统使用的电源芯片是一款DCDC器件,型号为EA3036，EA3036采用20针QFN 3X3封装，EA3036支持2.7-5.5V范围输入，0.6V参考电压。

EA3036为三路输出，每路输出可实现2A持续输出能力，并提供独立的使能端进行电源管理和上电时序控制。本系统的三路电源输出分别为1.2V、1.8V和3.3V。

3.RGB屏幕接口原理图设计

这款芯片自带有RGB666的接口，所以可以驱动RGB的屏幕。

RGB666表示数据有16位，分别是R6位，G6位，B6位，这些都是数据线，另外还有行同步信号，列同步信号，时钟信号等。

RGB屏幕是一个通用接口，是市面上最为常见的屏幕之一，应用非常广泛。本系统原理图画的是正点原子的屏幕接口，并且带电容触摸。

4.MINI PCIE接口原理图设计

本系统是设计为核心板加底板的方式，那必然核心板上要留出接口。

关于接口，前期也了解很多，比如排针，BTB连接器，DDR，M.2，MINI PCIE等等。

最终选择了MINI PCIE，因为MINI PCIE的引脚个数正好合适，间距为0.8mm，而与之相似的M.2的间距为0.5mm，PCB绘制的时候不好连线。

经过层层考虑，最终选择了MINI PCIE接口进行核心板与底板的连接。

5.PT4103B23F升压芯片原理图设计

PT4103是一款升压型DC/DC转换器，设计用于从单电池锂离子电池以恒定电流驱动多达8个串联的白色LED。

由于PT4103直接调节输出电流，因此它非常适合驱动发光二极管（LED），而RGB的屏幕背光正好是多个LED进行连接，这款芯片用来驱动背光再好不过。

6.RT9193稳压芯片原理图设计

RT9193是一款LDO芯片，输出电压为3.3V，选择封装为SOT-23-5，非常小巧，并且外围电路也不多，容易嵌入到系统板上。

RT9193提供了稳定可靠的电源，只要输入电压在一定的范围内，输出电压永远保持在3.3V。

7.一键开关机原理图设计

生活中的便携式电子产品都具有开关机按键，比如手机电源键就是一种非常典型的一键开关机，长按开机，长按关机。

除了手机以外的其它电子产品，也可以使用这种方法，给用户良好的体验。

本系统就是基于用户体验的角度，在系统底板上加入了一键开关机电路，方便用户对简易平板进行操作。

8.DS3231时钟原理图设计

DS3231是一款精度很高的实时时钟芯片，内置自动补偿电路。

可以自动调整月份和日期，还有闰年补偿功能，时钟的工作格式可以有两种模式，24小时模式或者12小时模式。

DS3231内部集成了可编程的闹钟，并且支持两路，DS3231这个实时时钟不仅可以提供准确的走时而且还能保持断电走时，极大保障了系统时间的准确性。

9.麦克风原理图设计

全志V3S集成了音频ADC，可以外接一个麦克风，通过麦克风可以获取外界的声音，然后存储起来，可以实现录音的功能。

还可以开发软件部分，使其支持语音识别，可以实现语音助手的功能。

10.耳机和8002B功放原理图设计

全志V3S不仅支持音频ADC，还支持播放音频，可以接一路耳机，有左右双通道。

虽然插上耳机就可以播放音频，但毕竟还是需要有耳机才能播放。

在设计上加入一个功放芯片8002B，通过功放外接一个喇叭就可以支持声音外放。

而且设计过程中对耳机和功放部分做了处理，使插上耳机的时候耳机播放，不插耳机的时候就外放。

11.RTL8723BS WIFI蓝牙原理图设计

RTL8723BS是一款小尺寸，小巧的WiFi + BT组合模块，电路板尺寸为12mm * 12 mm，高度为1.6mm。

常适合平板电脑，超极本，移动设备和消费类产品。

它提供用于WiFi的GSPI/SDIO接口与主机处理器连接以及用于BT的高速UART接口，WiFi的吞吐量理论上可以达到150Mbps。

本系统设计模块的初衷就是为了方便联网，毕竟作为一个移动设备，不可能一直插网线这种方式，并且这款模块还支持蓝牙，相当于一个模块就继承了WiFi和蓝牙，非常适合本系统。

12.MPU6050陀螺仪原理图设计

MPU6050是一款陀螺仪芯片，内置陀螺仪和加速度计，可以通过检测当前的姿态来判断当前的平板的姿态位置。

本系统设计的目的是为了实现重力感应，自动翻转屏幕，充当计步器等功能。

13.SHT30温湿度原理图设计

SHT30是一款温度和湿度传感器。它的封装为DFN-8，封装外形为2.5mm * 2.5mm,同时保持0.8mm的高度，这意味着可以将它集成到多种应用中。

本系统设计的目的是为了能够实时获取外界环境的温度和湿度，给用户一个直观的体验。

14.震动马达原理图设计

震动马达是一个可以发生震动的器件，通过一个三极管就可以驱动。

诸如手机一样，当设置为震动模式的时候，不会发出声音，但是手机本身发出震动。

本系统就是基于这样的设计思想，当简易平板设置为震动模式的时候，一旦有外界消息震动马达就会发出震动，以提醒用户及时查看消息。

PCB分析

1.核心板PCB分析

核心板PCB为四层板，最小线宽为4mil，是嘉立创四层板所支持的最小工艺。

整体设计为两面都有器件，因为核心板只有设计的比较小，才能更方便的集成到应用中去。

正面放置EA3036 DCDC器件，主控芯片V3S，和RGB屏幕接口FPC，FPC放到正面是为了方便后续接屏幕。

背面大多是一些电容电阻和一个W25N01GVZEIG备用，W25N01GVZEIG默认是不焊接的。

在内层1对电源进行了分割，主要有VBUS，1V2，3V0，3V3等。

在内层进行电源分割，不仅方便布线，还增强系统的可靠性。

2.底板PCB分析

底板PCB为两层板，最小线宽为6mil，嘉立创双面板线宽最小支持5mil。

整体设计为只有背面有器件，因为正面是把整个屏幕贴上去，这个在设计的时候需要考虑屏幕的排线，在对应的位置进行开槽处理，方便排线连接。

还有就是电源开关和音量开关的位置要放在合适的位置，方便我们去操作。

还有type-c接口、麦克风、耳机口，SD卡槽的位置等都需要去考量；屏幕FPC的位置要和核心板上FPC接口是顺的，也就是FPC排线连接是顺的，不能交叉打结。

MPU6050的位置最好放到板子的正中间，这样测量结果是最正确的。RTL8723BS的天线部分不要覆铜。

测试效果

1.主界面测试

主界面是程序启动就进入的界面，里面罗列了十几款APP应用，可滑动翻页，点击对应的APP图标会进入到对应的APP应用界面。

2.音乐播放测试

音乐播放界面实现了歌词根据进度条滚动显示，有可暂停、可上一曲，可下一曲等功能，会显示当前播放进度和总进度时长，可滑动滚动条跳转音乐播放进度。

3.电子书测试

电子书分为两个界面，点击电子书图标会进入书架界面，会列举当前文件中的书籍信息，选择对应的书籍可以进入阅读界面，在阅读界面可以修改背景颜色和文字颜色等。

4.天气预报测试

点击天气图标会进入到天气查询界面，输入对应的城市名点击查询按钮，即可显示当前的温度和风向等信息，在最下面还会有温馨提示。

点击左上角的切换按钮可以查看未来几天的天气情况，提醒注意防护。

5.计算器测试

点击计算器图标会进入到计算器界面，里面有一张背景图片和按钮形成对比，方便使用按钮进行操作，支持连续加减乘除运算，计算结果大字显示，方便获取。

6.设置界面测试

点击设置图标会进入到设置界面，在设置界面可以设置WIFI，蓝牙，声音，显示，日期等操作，点击关于选项会进入关于界面显示一些系统的内存大小，版本等信息。

结论

本文主要介绍了简易平板的设计与实现，该系统从硬件设计开始，经过系统移植，驱动开发，应用开发，外壳设计等操作，已经涵盖了一个产品从设计到生产的基本过程。

硬件设计也是很有门道的，稍微有一点地方不对，就需要重新打板子。

本系统从设计开始到最后的成品，一共做过两块开发板、三块核心板和三块底板，相当于光板子就做了八块，其中多次涉及两层板和四层板，还包含电源分割和一些常规的注意事项。

通过设计本系统，可以加强对硬件设计部分的基本操作，可以熟练进行PCB设计。

系统部分主要涉及Linux系统的知识，通过对Uboot、Linux内核和Rootfs的编译，熟练配置交叉编译器，了解Makefile的执行机制和编程规范，能对.config文件进行修改和添加。

驱动开发主要操作是对硬件底层的操作，需要看懂器件的使用手册，能用通信协议驱动器件，知道如何用设备树去配置引脚，如何灵活的使用驱动框架等。

应用开发主要涉及Qt知识，能熟练使用C++编程语言，明白信号和槽的机制，会一点UI设计，能对图片进行基本处理等。

外壳设计主要是对一些3D图形进行处理，能熟练对PCB进行外壳设计，知道如何开孔，如何设置固定孔等。

通过对本系统进行设计，可以掌握很多知识，对于自身能力也是一种提高。

在本课题简易平板的设计与开发的过程中查阅了很多相关资料，提供了很多的思路，也借鉴了其中设计好的部分。

本系统基于Linux和Qt5进行开发设计，操作系统加UI的设计方向是移动设备的一种常规操作。

只有每一步都设计合理，最后的成品才会实现它应有的功能。

虽然本系统设计的时间周期很长，但由于所涉及的知识庞杂，需要开发的内容较多，设计过程中难免会有设计缺陷和功能不完善之处，希望多多指正。

在后续的时间里，还会继续开发一些功能和修改一些缺陷，使功能更加完善，系统更加健全。


审核编辑：刘清