基于ARM和固态硬盘的微型投影嵌入式平台设计

王宗超，马建设，周 倩，王伟能，赵 诣

(清华大学光盘国家工程研究中心深圳分中心，深圳 518055)

微型投影机是一种便于携带的手持投影或口袋式投影。微型投影具有尺寸小、质量小、投影屏幕大等优点，便于外出商务展示、教学、医疗成像显示等。普通微型投影机控制系统简单，只具有基本的显示和外接接口功能，外出使用时其功能相对不足。该设计实现的是微型投影系统的嵌入式控制平台。该平台基于高性能的ARM11主控芯片，搭载WinCE 6.0嵌入式操作系统，不仅实现了对常用(如USB、HDMI等)接口的扩展，还配置了大容量固态硬盘SSD(solid state disk)，具有Wi-Fi模块，能实现高清播放等功能。

1 微型投影系统设计方案

如图1所示，微型投影系统主要由嵌入式控制平台、光机驱动与微型投影光机3部分组成。该嵌入式控制平台通过RGB888接口与微型投影光机驱动相连，大多数微型投影驱动均支持该接口，因此控制平台方案有很好的通用性。控制平台主要包括ARM11主控芯片、固态硬盘、各种接口模块、电源和时钟等，控制平台通过光机驱动和微型投影光机相联［1］。软件系统采用WinCE 6.0操作系统。WinCE 6.0具有良好的集成开发环境，可以提供适合本方案的良好的用户界面，并且在该操作系统上应用程序编程效率较高。

图1 微型投影嵌入式控制平台总体方案

2 硬件设计

在该方案中，系统主控芯片设计方案如图2所示［2］，具体配置为:

1)核心处理器。主控芯片是基于ARM11内核由Telechips公司生产的高性能、低功耗、应用于数字媒体领域的 TCC8900芯片，其核心采用ARM1176JZF-S处理器，可搭载嵌入式操作系统(本硬件平台可搭载WinCE、Linux或Android)，主频可达800 MHz。该主控芯片视频解码通过专门的硬件模块来完成，提供1080P高清硬件解码。TCC8900的通用 GPIO 口分为 A、B、C、D、E、F六组，各部分接口与主控芯片间的连接如图2所示［3］。

2)存储设备。存储设备主要使用了SDRAM、FLASH。本方案中使用256MB的 DDR2作为SDRAM，嵌入式操作系统需要加载到SDRAM后才能正常运行。FLASH是1GB的NAND FLASH，用来存放BootLoader启动程序和操作系统。

图2 控制平台主控芯片设计方案

3)人机交互模块。显示输出设备是微型投影光机，通过RGB888总线与微型投影的光机驱动传输信号。输入设备采用USB外接鼠标，另外嵌入式操作系统提供软键盘或者USB外接键盘。

4)固态硬盘SSD模块。SSD由于具有高速、容量大、功耗低、体积小、抗震性好等优点，正好适应了微型投影便携式的使用特点，能作为微型投影系统良好的存储设备。固态硬盘原理如图3所示，主要由主控系统、高速缓存、闪存存储阵列和接口系统组成。主控系统是系统核心部分，主要功能是接收外部系统发送的读、写请求，控制闪存阵列完成相应的读、写、擦等操作，实现数据存取。闪存芯片组成数据储存系统，多个闪存芯片组成多通道闪存阵列，各通道经各自独立的闪存控制器与SSD主控系统相连。SSD高速缓存的主要作用是数据暂存，用于存储闪存阵列中经常使用的数据镜像，以提高系统的访问速度。接口系统实现SSD与主控芯片ARM之间的数据传输，本方案采用SATA2.0接口系统。固态硬盘可提供64G或128G等不同大小的存储空间，将大大扩展投影系统的存储空间。投影系统不仅能进行图文展示，还能播放存储在固态硬盘内的高清视频。

5)其他模块。音频模块采用IIS总线实现处理器与音频数字信号编译码器之间的数据传输;HDMI模块用于高清视频的输入和输出;SD卡模块外接TF/SD卡;内置了Wi-Fi模块;USB模块有USB Host和 USB OTG两个接口;调试模块中，JTAG用来下载 BootLoader和在线调试程序，RS232接口用来输出打印信息。

图3 固态硬盘模块原理框图

3 软件开发设计

为了加快开发进度，获得ARM芯片厂商的技术支持，本方案选择WinCE 6.0操作系统，也可在硬件平台上进一步进行Linux或Android操作系统的开发。软件部分的开发主要包括WinCE最小内核系统的实现、驱动开发、应用程序开发。

嵌入式操作系统开发需要硬件厂商提供对应的BSP(board surppot package)，即板级支持包。BSP由启动程序(Boot loader)、OEM适配层程序(OAL)及驱动程序和配置文件组成。Windows CE 6.0开发平台上进行开发的主要工具是Platform Builder。Platform Builder是微软公司提供给开发人员进行基于Windows CE平台下嵌入式操作系统定制的集成开发环境，它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试Windows CE操作系统平台的工具。应用 Platform Builder，根据特定 BSP，可以生成针对不同开发板(SDB)的特定的操作系统镜像。基于Windows CE的嵌入式系统可分为4个层次，从底层到上层分别是硬件层、OEM层、操作系统层和应用程序层。软件开发主要包括最小内核系统开发、驱动开发、应用程序开发3部分。

1)最小内核系统的实现。将BSP开发包导入搭建好的WinCE6.0 Platform Builder中，运行程序生成最小内核系统，将生成的映像文件烧录到开发板。当系统上电或是复位时，Boot Loader启动加载程序，用于引导Windows CE操作系统内核加载到目标硬件系统的内存，并开始跳转到操作系统的入口地址。根据实际情况，该部分需要修改分辨率参数、虚拟内存空间地址等［4］。

2)驱动开发。在最小内核系统运行正常后，分别进行音频、USB、HDMI、SD卡、固态硬盘等模块驱动开发，开发者可以在WinCE操作系统中定制常用模块的驱动［5-6］。硬件设备制造商一般会为设备提供驱动软件支持。如果有专门针对WinCE6.0系统编写的设备驱动程序，将其加入到操作系统中就可以使用;如果没有，则应根据厂商提供的驱动程序开发包编写。通常需要对驱动部分的硬件接口进行测试，若接口地址发生变化，则需要对软件的相应部分进行修改。在各部分驱动调试均正常的情况下，将所有驱动程序共同定制，集成测试。

3)应用程序开发。在Platform Builder中生成SDK(software development kit)，安装 SDK，编写应用程序，编译生成.exe文件，将应用程序同步至设备。应用程序开发主要进行用户界面(UI)、音视频播放软件、办公软件以及其他应用程序(如图像畸变的软件校正程序)的开发等。该平台也支持同一操作系统下的应用程序的下载和安装使用，这也大大扩展了微型投影系统功能的实用性。

4 实现过程和实验结果

在Telechips芯片公司提供芯片资料的基础上，设计电路原理图，绘制PCB和制版，对电路板进行调试，完成硬件平台的搭建。在硬件平台搭建完成的情况下，进行操作系统软件开发。首先实现Win CE 6.0最小内核系统的顺利运行，然后进行主要模块的驱动开发工作，在驱动开发完成之后，进行用户界面和其他应用程序的开发。最终在硬件平台和软件开发实现之后，根据微型投影系统配置参数(表1所示)。嵌入式平台最高可以支持1080P高清等多种规格的视频，实现了显示面板最佳分辨率800×600下的视频播放。微型投影系统具有Wi-Fi无线上网功能，支持HDMI、USB、SD卡等主要的接口方式，能外接鼠标和键盘，配置64G大容量固态硬盘，容量和数据传输速度均有明显优势，优化了用户界面，并自带office、PDF等办公软件。在该嵌入式平台上可以进一步进行游戏、移动互联网服务程序等应用软件的开发，进一步拓展微型投影的具体应用领域。产品样机如图4所示。产品开发完成后进行了实验，实验结果如图5所示，实验达到了预期的设计目的。

表1 微型投影系统配置参数

图4 产品样机

图5 实验结果

5 结束语

基于ARM11芯片的强大功能和存储空间、数据传输速度均有明显优势的固态硬盘，外加WinCE 6.0操作系统丰富的软件接口，该微型投影的通用嵌入式控制平台设计方案具有架构合理、功能齐全、接口丰富、可裁剪性强的特点，使微型投影具有掌上电脑的主要功能，大大扩展了微型投影的使用功能和应用领域，有助于推动微型投影的商业化。

［1］赵星，方志良，崔继承.微型投影机光学引擎的研究［J］.光学学报，2007，27(5):913-918.

［2］贾振波.基于ARM的车载GPS系统的研究［D］.北京:中国农业大学，2007.

［3］Telechips.TCC8900_FULL_SPEC_V1.03［S］.Telechips，2009.

［4］李大为.Windows CE工程实践完全解析［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［5］罗健飞，吴仲城，沈春山.基于ARM和WinCE下的设备接口驱动设计与实现［J］.自动化与仪表，2009，24(3):1-3.

［6］Microsoft.Microsoft Windows CE Device Driver Kit［M］.北京:北京希望电子出版社，2006.