低批量手持设备设计：勇敢者的工作

admin

　低批量手持设备设计者比规模为其上千倍的许多产品的设计者面临的技术问题更多。当设备是专业化的，并且预期销量和收入均适中时，设计挑战甚至变得更加严峻。

　　要 点

　　为专业化应用设计手持设备需要一些能轻松承担多项工作的工程师。
　　即使对于小批量制造的手持设备，FPGA也可以成为良好选择。其它好选择包括配备板上闪存RAM的低功耗微处理器和微控制器。
　　电源的选择宗旨是手持设备设计的重要部分。设计者需要想出电池应该在何处充电、如何包装它们等问题。

　　并非所有手持电子设备均为手机、PDA 甚至 DMM（数字万用表）。这类设备的制造数量从十万至数千万不等。许多面向库存控制、医学、环境监视、污染控制以及 21 世纪其它多种应用的手持设备要是能在其整个产品寿命期间获得数千件订单就很幸运了。另一方面，这些设备的客户往往愿意支付比包含无线功能的顶尖 PDA 的499 美元价格多得多的钱。

　　从硬件、软件和机械角度看，设计专业化的低批量手持设备常常会明显不同于设计高批量的消费产品。本文探讨了工程师开展设计工作的方式差异和相似之处，还讨论了一些产品，它们使工程师能创造低批量手持设备，这些设备能为销售它们的公司产生利润。

　　手持设备（不论销量如何）设计者必须始终牢记显示器、用户输入硬件（如触摸屏、按钮、键盘）、用户界面软件、处理元件（如微处理器、微控制器、FPGA）、电池和电源子系统（包括电池充电器和依靠交流电线路工作的电源）、模拟或混合信号元件、模制塑料零件等零部件之间的相互作用。他们还必须考虑元件的功耗和热灵敏度，以及可用性、电池寿命、元件成本、组装与测试成本、尺寸、重量和承受极端环境温度、湿度、冲击和振动的能力等问题（见附文《为 PDA 应用设计用户界面》）。由于产品生命周期非常短，因此高批量产品设计者工作在沉重的时间压力之下，但至少设计团队相当大，使团队成员能专注于各自的专业。
　　低批量设备（年产量不超过一万件，并且在作为热销产品的三年期间，数量也许为三万件）开发者也许有更多时间来开展设计，但很少有人能轻松地从事很窄的专门技术领域。较低的批量意味着较低的收入，这意味着较小的产品团队，其中的每位成员都必须承担几项工作。如果您生性适合接受挑战，那么在一个小团队中处理一些与您的经验有限的问题，这会具有非常大的挑战性和乐趣。另一方面，对于那些无法应付困难局面，无法对不熟悉的问题临时准备出解决办法的人，这种体验就可能就是人间地狱。更糟糕的是，在工作中发现自己并非这块料的结果也许会令人非常不安。

　　标准的 PDA 好用吗？

　　虽然多数手持设备开发项目都会带来中高程度的技术风险，但有一种低批量手持产品开发带来的风险却很低，这就是标准 PDA，它们捆绑了使自己能在较狭窄的合适市场中实现明确定义功能的应用软件。与这类产品的开发有关的最重要活动大概就是 PDA 的选择。选定的产品必须支持适当的软件开发环境；应用软件设计者必须能为该产品配备存储器等足够的硬件资源 ；PDA 制造商必须提供信用保证：目前型号的替代将不会使开发人员计划和该产品捆绑在一起的专用软件作废。

　　如果这类产品必须适度承受比作为其基础的现货 PDA 更严重的滥用情况，那么专用版的厂商在供应该产品时也许会把它们装在护套里，它增强了产品自身的外壳固有的抗冲击和抗振动能力。数十家厂商为许多流行的 PDA 供应护套，标价通常约为 30 美元（参考文献 1）。略低于 100 美元的价格可以买到更坚固的外壳，即 Otterbox 1900，供应它的厂商声称 ：装在其产品中的 PDA 如果掉进泳池里，会浮在水面上，并且在被取回后还将照常起作用（图2）。Otterbox 提供多种附件，它们使装在这种外壳中的 PDA 能执行一些您通常不会和现货 PDA 关联起来的功能。这些附件包括一个有窗口的外壳（用于条形码扫描仪）、GPS 箱、防水箱（用于电线进出）。
                                                   
　　与给标准 PDA 装护套或外壳相比，利用 Juniper Systems Allegro 等加固的手持计算平台，是一种更灵活（并且更昂贵） 的方法（图 1）。用 Allegro 等现有平台作为设计的基础，可使您免于从零开始自己的新产品项目，但这种方法会把您从次要开发计划领域转到重要项目领域。而且，如果您需要一些无法从平台供应商或第三方获得的硬件能力，那么您可能不得不自己开发它们，甚至开发整个平台。对于总批量估算值不超过三万件的设备，这种方法可能代表了开发者承担的一项主要工作。

　　FPGA：对某些产品很合适

　　对于那些并非以 PDA 或手持平台为基础的产品，正在出现更好的机会，使人们能围绕一块或多块 FPGA 来构建自己的设计，用 FPGA 来代替或补充一块标准的微处理器或微控制器。FPGA 供应商们表示：那些针对年制造数量为数千件的产品并且基于 FPGA 的设计具有经济意义。尽管这些公司很热情，但它们认识到：并非所有已启动的设计最终都会以进入生产阶段的产品而告终，有些投产的产品在市场上未能取得成功。对于 FPGA 公司而言，问题的实质在于让自己的 IC 被设计到足以大获成功的产品中，这样，即便存在与一些未能满足客户期望的计划相关联的支出，产生的利润依然很可观。而且，那些自身没有成功的项目仍能造就 FPGA 公司和客户之间的关系，这些关系会产生一些利润丰厚的后续项目。与手持设备业务一样，FPGA 业务不是为懦夫准备的，但这两种公司经常都会获得多个成功机会。

　　如果说在电池供电的产品中使用 FPGA 这一想法与 IC 以高功耗代价达到高速度的名声不一致，那么您需要仔细研究 FPGA 制造商提供的最新产品和应用文献。你有一切理由怀疑是否许多手持系统应用都需要 FPGA 的速度。虽然在手持设备中使用 FPGA 似乎需要为您无法使用的速度付钱，但 FPGA 制造商坚持说：即使您忽视它们的高速度，FPGA 在手持设备中也经常很合算。不过在功耗方面，所有 FPGA 制造商均能提供一些器件，这些器件的功耗要求应该适合于电池供电的手持设备，尽管几家制造商似乎怀疑竞争对手的低功耗声明。

　　Actel 公司尤其对它基于闪存的 FPGA 技术感到自豪，该公司声称：这种技术的很多属性都是其较大的竞争对手 Altera 和赛灵思(Xilinx)公司基于 SRAM 的部件无法再现的。不过在某个领域，即特征尺寸方面，基于 SRAM 的部件看起来有明显优势。最新一代基于SRAM 的 FPGA 具有 90nm特征，而基于闪存的部件的特征尺寸是130nm。因此，基于SRAM 的芯片占用的硅芯片面积是同等复杂度的基于闪存芯片的一半。但根据 Actel 公司的说法，这一简单声明有误导作用。Actel 公司表示：它的基于闪存的体系结构比基于 SRAM 的同类部件的体系结构更高效，因此，如果您要利用这两种技术构建功能等效的器件，那么基于闪存的部件将简单得多，这样，尽管特征尺寸较大，但占用的面积明显小于基于 SRAM 的部件面积的两倍。

　　Actel公司声称的其它优势包括：能把混合信号FPGA构建到其新的Fusion系列中；无需单独器件（一般是闪存RAM）来存储在通电时被加载入FPGA的配置数据 ；通电后配置数据被立即加载 ；几乎完全不受断电（瞬间降低的电源电压可能需要重新加载FPGA的配置数据）的影响；对“扰乱”（宇宙射线等现象能改变FPGA的配置）具有更强的抵抗力。

　　所有 FPGA供应商都提供多种微处理器和微控制器软核，您可把它们嵌在 FPGA 内。各供应商的软核体系结构和能力各有不同。根据您的系统要求的复杂度以及您的 FPGA 供应商的内核能力的不同，软核也许使您能避免使用额外的处理器元件。不过，设计者们使用软核经常不是为了代替常规处理器，而是为了便于像状态机这样的功能实施，它们与常规逻辑的综合可能很棘手。如果软核无法满足您的所有处理要求，那么您就需要研究在 FPGA 中嵌入硬核，或使用单独的微处理器或微控制器芯片。有很多供应商都提供合适的处理器，而德州仪器公司 (TI) 指出：TI的包含闪存 RAM 的低功耗，ARM 微处理器和微控制器对于手持设备是理想选择（图3）。
　　不论您是否在使用单独封装的微处理器或微控制器、等效的硬核，或是一个或多个软核，您一般都必须选择一个操作系统。不过，一些优秀的设计者，特别是基于 FPGA 的设计领域的设计者，继续使用C这样的高级语言来为一般会被认为是操作系统一部分的功能编写代码。这种方法的一个主要基础是项目团队内部具有足够高的编程专业知识。另一个基础是熟练的程序员按照项目的严格要求来定制代码的能力，从而把存储器容量降至最低程度，并能缩小芯片尺寸。

　　手持设备设计者可在数十种操作系统中做选择。如果您把被厂商归类为嵌入式操作系统的操作系统包含在内，那就会存在如此多的选择。对操作系统能力、优点、缺点的客观研究和比较，可能会使花费的时间超过管理层一般允许开发人员花费的时间。幸运的是，多数公司在针对这种或那种操作系统的工具方面都有所投入，并且有经验的开发人员在学习使用特定操作系统和工具组方面会做个人投入。因此，多数开发团队都不用开展漫长的研究。低批量应用通常不会吸引很多竞争对手，因此即使项目团队选择的操作系统或工具组不是最好的，团队或客户发现这一事实的概率也很低。不会有竞争对手说：“看！我的器件能做的事情，他们的器件做不到。”除非这些选择真的离要求太远，否则客户将很可能觉得产品的功能、成本和性能是可接受的。

　　最著名的手持设备操作系统来自PalmSource公司和微软(Microsoft)公司。微软公司不断演变的手持产品名称也许构成了一项微妙的测试，看看预期用户是否足够聪明，能适应该公司的产品。微软公司目前针对手持设备的操作系统似乎是Windows Mobile 5.0，它是Windows CE 5.0的派生产品，该公司坚持说字母CE不代表任何事情。出版商们称作“手持设备”的操作系统使开发者能定制专业化手持设备的用户界面。但是，应用软件开发者离操作系统设计者的设备“个性”思想越远，用户就越有可能体验可用性问题。

　　功耗是件大事

　　电池是手持设备设计过程中的主要因素。设备设计者必须首先确定电源方面的思路。主要抉择是：是否使用充电电池？然后，如果电池将是可充电的，那么它们是否将需要在手持设备内部充电？它们是否将允许在手持设备外部充电，从而使用户能用刚充电的电池迅速代替用完电能的电池？或者它们将需要在手持设备外部充电？普通的碱性电池一般被认为是无法充电的，但在几年前有了一些能在合适充电器中被充电有限次数的版本。但是，在网上对这类电池的搜索只找到一家公司——PureEnergy Battery，它供应标准尺寸充电版碱性电池以及用于这些充电电池的充电器。多数供应商显然已回归到镍金属氢化物 (NiMH) 等较老的技术，把它们作为能代替标准尺寸碱性电池的充电电池的基础。虽然一些可充电碱性电池技术（如 Zinc Matrix Power 公司的技术）似乎很有希望，但它们尚未产生标准尺寸碱性电池的商品化替代品。

　　手持设备的电源思路对该产品的可用性具有严肃的暗示。例如，不妨设想该产品只能工作 8 个小时，然后就必须对电池充电，并设想这些电池必须在设备内部充电。除非电池能迅速充电（暂时还不是手持设备电池的常见特性），否则设备在需要它能连续工作两个班次的应用中，很有可能不能令人满意。

　　电池组在许多产品（特别是笔记本电脑）中已很常见，不过对于典型的手持设备，笔记本电脑电池组太大太重。尽管如此，如果一种电池在概念上类似于笔记本电脑电池组，但更小更轻（因此储能较少），那它最初对手持设备就会具有很强的吸引力。但在略做思考之后，人们会发现这种方法显然有几个缺点。

　　笔记本电脑电池组的优点之一是它能迅速更换，凭借存储在超级电容器中的能量，这经常能快到在您换电池组时，笔记本电脑能保持运行，它的硬盘驱动器甚至仍在旋转。另外，您还能在交流电供电的单独充电器中给电池组充电，或者电池组仍在连接了交流电线路的笔记本电脑中时给它充电。

　　对于手持设备，特别是小批量制造的设备，小型笔记本电脑电池组的缺点是加工成本（对于模制塑料零件可能是 4 万美元左右）以及该手持设备停产后更换电池组的货源问题。另外，让手持设备插入交流电线路来给电池充电不是我们的出发点。与笔记本电脑用户不同的是，手持设备用户并不是主要坐在办公桌前，手持设备的电池需要单独的充电器。

　　使用标准尺寸电池

　　所有电池组均由圆柱形电池或空间效率略高一些的棱形电池组成。据 Micro Power Electronics 公司产品营销工程师 Robin Sarah Tichy 博士说，其中两种电池很流行，足可被称作行业标准。一种是 18650 圆柱形电池，尺寸是18.3mm×65mm（图4）。这些电池组的锂离子版的端子电压是 3.6V或 3.7V，存储 2.4Ah(安培小时)，并且未来容量也许能达到3Ah(安培小时)。另一种是 103450 棱形电池，尺寸是10mm×34mm×50mm，提供的电压与圆柱形电池相同，目前的容量是 2Ah(安培小时)，未来可能会提高到 2.5Ah(安培小时)。两种尺寸都能以低于 10美元的单价小批量供货。在 Tichy 看来，低批量手持设备设计者应该选择这两种尺寸之一来为各自产品保证电池的连续供货。

　　不过也许不需要专门模制的部件。一些制造商已开始提供采用紧包装的成组的圆柱形或棱形电池，它们采用各种串联、并联和串/并结构。加工成本是最低的，并且更换这些紧包装的电池组的速度就像更换模制外壳电池组的速度一样快。

参考文献

Listing of PDA sleeves, www.theclip.com/CLICK-HERE-for-PDA-Sleeves-p-1-c-254.html.