Telefonul mobil: structura internă, interfaţare, alimentare Petre Ogruţan, decembrie 2016
Telefonul mobil ca şi calculator Telefonul mobil este un calculator şi în prezent este cel mai răspândit calculator, aşa cum arată statisticile Statistica vânzărilor de calculatoare pentru anii 2013, 2014 şi 2015 (pentru 2015 date previzionate), sursa http: //marketingland. com/2015 -will-4 -android-devices-every-windows-device-90227
Istoric Apariţia comunicaţiilor mobile a fost anticipată la începutul secolului XX. În 1926 Karl Arnold a realizat un desen care anticipa utilizarea telefonului mobil, sursa https: //en. wikipedia. org/wiki/History_of _mobile_phones Primul serviciu de telefonie mobilă pentru automobile a fost lansat în 1946 de către Bell Labs în SUA. În 1949 a fost realizat în SUA un serviciu de telefonie mobilă celulară de către firma AT&T numit Mobile Telephone Service. În 1965 serviciul a fost perfecţionat, permiţând ca utilizatorii să formeze numerele de apel. Până în acest moment utilizatorii apelau la un operator. Primele telefoane mobile pentru utilizare personală au fost realizate în 1973 de către Motorola.
Alimentarea cu energie Răspândirea telefoanelor mobile a adus cu sine şi probleme. Una dintre problemele ridicate de sistemul de alimentare cu energie a fost că fiecare producător de telefoane a construit propriul tip de încărcător iar schimbarea telefonului însemna şi schimbarea alimentatorului. În 2009 Comisia Europeană a propus unificarea încărcătoarelor şi producerea unui tip de încărcător standardizat prin USB, cu specificaţiile numite EPS (common External Power Supply). În 2011 a fost publicat standardul IEC 62684: 2011 privind alimentarea cu acest tip de încărcător. Interfaţa USB clasică poate furniza 0, 5 A la fiecare port pentru alimentarea dispozitivelor cuplate. Pentru a realiza o încărcare mai rapidă a telefoanelor au fost create porturi speciale la USB numite porturi de furnizare de energie (Power Delivery). Pentru aceste porturi a fost creată o conectică şi cabluri speciale, numite USB tip C, pentru a le diferenţia de cele de tip A şi B (A folosit la porturile din calculatorul gazdă din care se transmite energia şi B la porturile din echipamentele periferice care sunt alimentate). Astfel, la USB tip C porturile PD pot furniza 5 V şi 1, 5 A (7. 5 W) sau la tensiuni mari până la 36 W la 12 V, 60 W şi 100 W la 20 V.
USB tip C http: //electronics. stackexchange. com/questions/125011/how-does-usb-type-c-handle-reverse-polarity/125013
Alimentarea cu energie Încărcarea fără fir a telefoanelor se poate realiza prin transferul de energie la distanţe mici prin intermediul câmpului electromagnetic, prin cuplaj inductiv sau capacitiv. În dreapta este prezentat principiul transferului inductiv (sus), capacitiv (mijloc), un telefon care admite acest tip de încărcare şi în care se vede bobina şi un sistem modern de încărcare (jos).
Schema bloc a fost divizată în 2 părţi, una gestionată de un circuit procesor de aplicaţii şi una gestionată de un procesor de prelucrări în banda de bază. Procesorul de aplicaţii asigură preluarea datelor de la dispozitivele de intrare şi trimiterea datelor la dispozitivele de ieşire. Preia date de la senzorul de atingere al ecranului sensibil (touchscreen), de la camera digitală, şi de la senzorii cu care este echipat telefonul: senzor giroscopic, de temperatură, de acceleraţie, etc. Date de ieşire sunt trimise la ecranul LED sau electroluminiscent, iar transferul de date este bidirecţional cu interfaţa USB de conectare la un calculator gazdă, la controllerul audio care converteşte analog digital semnalul de la microfon şi digital analogic datele spre difuzor şi cu cardurile care pot fi citite sau scrise. Procesorul pentru prelucrări în banda de bază asigură comunicaţia bidirecţională prin GSM, WLAN (Wi-Fi), Bluetooth şi preia datele GPS, fiecare funcţie fiind realizată prin intermediul câte unui transceiver specializat. Un modul intern important este cel care gestionează energia, asigură încărcarea bateriei şi modurile de economie de energie.
Controller audio În figură se poate vedea locul controllerului audio în schema bloc a unui telefon mobil. Un exemplu de implementare este cu setul de două circuite de la Cirrus Logic, format dintr-un codec CS 42 L 73 şi un amplificator în clasă D, CS 35 L 01.
Controller audio Ca şi funcţionare, sunetul analogic este preluat cu un microfon (prelucrări reprezentate de jos în sus), este amplificat, sursa de sunet este selectată dintre mai multe surse cu un selector (multiplexor) analogic şi este convertit în semnal digital. Blocul de prelucrare asigură controlul volumului, al comenzii de mut şi efecte de sunet. Datele digitale prelucrate sunt trimise în format serial sistemului gazdă. Sunetul este furnizat pentru audiţie de sistemul gazdă în format digital serial către blocul de prelucrare, reprezentarea pe schema bloc fiind de sus în jos. După prelucrare sunetul este convertit în sunet analogic, este amplificat şi trimis la difuzoare sau căşti. La telefoane prelucrarea se face pe două linii de prelucrare, una de voce pentru convorbirile telefonice şi una audio pentru redarea sunetului stocat în telefon. La ieşire, în cazul telefoanelor un canal este dedicat sistemului hands free.
Funcţia GPS Modulul GPS are dimensiuni mici (6 mm x 6 mm, dreapta) şi necesită puţine componente exterioare (11 componente pasive). Toate funcţiile GPS sunt integrate într-un singur circuit care conţine şi un sistem integrat de economie de energie. Interfaţa de comunicare cu procesorul este serială de tip UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) sau I 2 C (Inter-Integrated Circuit).
Funcţiile WLAN, Bluetooth, radio Circuitul integrat care asigură aceste funcţii este Wi. Link 6. 0 şi se conectează cu procesorul prin intermediul unei interfeţe seriale SPI (Serial Peripheral Interface). Ca şi comunicaţii, la Wi-Fi circuitul admite standardele 802. 11 b/g/n în benzile 2, 4 GHz şi 5 GHz, iar la Bluetooth admite standardul 2. 1. Un sistem avansat de economie de energie este integrat în circuit.
Controller camera digitală Pentru aplicaţii de preluare şi prelucrare de imagini TI a creat un coprocesor numit OMAP-DM 5 x ((Open Multimedia Applications Platform). Structura şi imaginea coprocesorului sunt prezentate în figura 10. 18. Coprocesorul poate prelua imagini statice de la senzori de până la 20 Mpixeli şi imagini dinamice la rezoluţie HD (1280 x 720). Coprocesorul are capacitatea de prelucrare a imaginilor, cu următoarele posibilităţi: • Detecţia şi urmărirea feţei; • Detecţia zâmbetului; • Eliminarea efectului de ochi roşii; • Compensarea luminii excesive din spate; • Stabilizarea digitală a imaginii; • Editare fotografii şi video.
Controller camera digitală Scene: Coprocesorul poate detecta scene şi poate adapta setările de expunere în funcţie de imagine. O scenă este un context al imaginii care nevoie de anumite corecţii de expunere, timp de expunere sau diafragmă. Scene sunt de exemplu fotografii cu soarele în faţă, fotografii de interior, fotografii de noapte etc. Caracteristici ale imaginii sunt preluate înainte de fotografiere sau filmare, se recunoaşte scena dintr-o bază de date memorată şi se adaptează expunerea în funcţie de scenă. Dacă scena este în mişcare viteza de expunere este crescută pentru a nu apare o imagine neclară. Detecţia de feţe poate detecta până la 10 feţe, le încadrează cu un dreptunghi pentru a fi previzualizate de utilizator şi reglează claritatea şi expunerea în mod prioritar pe aceste feţe. Expuneri multiple: Pentru a asigura surprinderea momentului dorit în fotografie, coprocesorul preia 2 imagini înainte de momentul declanşării, 2 la declanşare şi 2 după declanşare din care utilizatorul o poate alege pe cea mai reuşită (facilitate numită de TI Perfect moment technology). Eliminare zgomot: Senzorul CMOS de preluare de imagini are principial zgomot la iluminare slabă şi coprocesorul dispune de un filtru de eliminare a zgomotului care permite fotografierea cu o sensibilitate de până la ISO 3200. Interfeţe: O interfaţă cu un televizor standard NTSC (SUA) sau PAL (Europa) permite vizualizarea imaginilor preluate la dimensiuni mari.
RF GSM Circuitul modem în banda de bază care ca sarcină prelucrarea datelor transmise şi recepţionate către staţia de telefonie mobilă este un circuit complex care conţine de regulă un procesor care rulează un al doilea sistem de operare, independent de sistemul de operare principal. Aceste sisteme de operare se numesc Real Time Operating Systems (RTOS) şi au dimensiuni mici. Dacă sistemul de operare principal al telefonului este cunoscut şi de multe ori un sistem open source, sistemul de operare al circuitului modem este proprietar şi detaliile sunt destul de puţin cunoscute. Cei mari producători ai acestor circuite modem sunt Qualcomm şi Infineon. Structura unui circuit Qualcomm este dată mai jos: Complexitatea circuitului este dată de faptul că există multe standarde de transmisie în telefonia mobilă (3 G, 4 G etc. ) care trebuie implementate în circuit. Debitul mare de informaţie necesită o putere mare de calcul, de aceea este nevoie de un procesor dual core. Circuitul poate avea memoria proprie sau poate utiliza memoria principală pe care o împarte cu procesorul de aplicaţii. Convertoarele ADC şi DAC asigură conversia analog digitală a semnalelor de la antenă spre circuit şi digital analogică de la circuit la antenă.
Procesorul de aplicaţii din structura telefonului mobil coordonează funcţionarea tuturor modulelor interne. Există astfel de procesoare produse de diferite firme, de exemplu familia de procesoare OMAP de la TI. Un accelerator grafic este destinat măririi vitezei de afişare, necesară pentru afişarea 3 D în rezoluţie HD. Un Boot ROM conţine sistemul de operare care se încarcă la pornire, care poate fi Android, Microsoft Windows Mobile, Linux sau Symbian. Blocul de securitate Mshield se referă la asigurarea protecţiei datelor în transmisia în Internet (WLAN, 3 G, 4 G), prin chei de criptare, firewall etc. Ca şi la orice procesor şi microcontroller transferul de date poate fi programat, prin întreruperi sau DMA (Direct Memory Access). Un modul timer asigură durate de timp pentru procesele controlate de procesor. OMAP 44 x Nucleu ARM Cortex Accelerator grafic Controller DMA, întreruperi, TIMER Boot ROM Securitate M-shield Conectivitate HDMI I 2 C UART SPI General Parallel I/O USB Controller SIM card Controller MMC/SD Controller SDRAM Controller FLASH Controller display Modul audio Modul gestionare baterie GPS Wi. Fi/Bluetooth 3 G/4 G Modul cameră foto/film Controller touchpad
Qualcomm Snapdragon Graniţa între procesorul de aplicaţii, procesorul de prelucrări în banda de bază, controllerul audio şi video este mobilă, astfel diferiţi producători integrează diferit aceste module funcţionale în seturile lor de circuite. În lume cel mai bine vândut procesor de aplicaţii este Qualcomm. Un circuit care integrează atât procesorul de aplicaţii cât şi procesorul în banda de bază este circuitul Qualcomm Snapdragon:
Exemple de implementări La Nexus se utilizează procesorul de aplicaţii OMAP 4 şi procesorul în banda de bază Samsung CM 221 iar la modelul Galxy S 3 acelaşi procesor în banda de bază dar un procesor de aplicaţii propriu, Samsung Exynos. Pe plăcile electronice mai există câte un circuit de memorie şi circuite integrate pentru realizarea unor funcţii, de exemplu GPS, Wi-Fi, Bluetooth, controller de sunet etc.
Sisteme de dezvoltare Pentru realizarea de aplicaţii companiile pun la dispoziţie sisteme de dezvoltare. Un sistem de dezvoltare cu un coprocesor video OMAP este prezentat în stânga şi un sistem de dezvoltare pentru circuitul Qualcomm Snapdragon în dreapta.
Despre strategii economice. . . În domeniul producţiei de circuite So. C concurenţa este mare şi companiile importante caută parteneri în China. Astfel Qualcomm oferă suport tehnic celui mare producător de semiconductori din China, Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC), pentru a produce procesoare de aplicaţii pentru telefoane. La fel a procedat şi Intel care în 2014 a cumpărat compania chineză Tsinghua Unigroup cu 1. 45 miliarde de dolari. Tsinghua Unigroup a fost o firmă de stat finanţată de Tsinghua University. Se pare că aceste achiziţii de companii sunt realizate pentru a concura compania sud coreană Samsung. Sursa acestor informaţii este http: //www. businesskorea. co. kr/english/news/industry/11170 -reaching-outqualcomm-intel-try-keep-samsung-check-chinese-chip-manufacturers Este interesant de remarcat modul în care China finanţează învăţământul în domeniul ITC (Information Technology and Communication), astfel încât prin cercetare universitatea să poată finanţa la rândul ei producţia.
. . . şi viitor O realizare recentă arată imaginea ecranului unui telefon proiectată pe mână. Acest tip de dispozitive deschid calea unei noi tehnologii, cea a calculatoarelor Wearable computers, adică cele care se poartă pe corp, pe haine sau sub haine (https: //en. wikipedia. org/wiki/Wearable_computer )
. . . şi mai departe în viitor Pentru a comanda telefonul s-ar putea utiliza o interfaţă între creier şi sistemul de calcul din telefon, cercetări fiind în curs de desfăşurare: În acest fel, probabil că pe Facebook simbolurile care exprimă sentimente (emoticons) se vor pune automat.
Скачать презентацию Telefonul mobil structura internă interfaţare alimentare Petre Ogruţan
2416d2f5512b84c42119405690c51781.ppt