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基于Linux和Qt5的簡易平板的設(shè)計與實現(xiàn)

冬至配餃子 ? 來源:開源硬件平臺 ? 作者:開源硬件平臺 ? 2022-07-28 16:36 ? 次閱讀

主要研究內(nèi)容是與Linux和Qt5有關(guān),通過對Linux系統(tǒng)的移植掌握Uboot編譯,Linux內(nèi)核裁剪,文件系統(tǒng)掛載等相關(guān)操作,還熟悉驅(qū)動的掛載和卸載,設(shè)備樹的編寫等。

通過編寫Qt5應(yīng)用程序,了解C++語言編程,明白槽和信號的運行機制,熟悉各個模塊之間的調(diào)用關(guān)系。

通過對整個系統(tǒng)從硬件到軟件的設(shè)計,了解產(chǎn)品開發(fā)的大致流程。

本系統(tǒng)分為硬件部分設(shè)計,系統(tǒng)部分設(shè)計,應(yīng)用部分設(shè)計三大部分。硬件部分設(shè)計包括從器件選型開始,主控芯片,屏幕,揚聲器,電池管理等,再到原理圖繪制,PCB布局布線,嘉立創(chuàng)打板,焊接等一系列流程。

系統(tǒng)部分設(shè)計包括交叉編譯器安裝,Uboot移植,Linux內(nèi)核裁剪編譯,文件系統(tǒng)裁剪掛載,Tslib移植,Mplayer移植,Qt移植,驅(qū)動程序移植,驅(qū)動程序編寫,腳本語言編寫等。

應(yīng)用部分包括視頻播放,音樂播放,照片播放,查看日期時間,查看天氣,查看溫濕度,查看設(shè)置,閱讀電子書,使用記事本,使用計算器,玩nes游戲等。

通過對這三大部分的設(shè)計,完成一個具備平板部分功能的設(shè)備。

設(shè)計分析

1.硬件電路設(shè)計分析

硬件電路設(shè)計主要分為好幾個模塊進行開發(fā),這樣開發(fā)的好處就是模塊之間可以組合使用,在后續(xù)開發(fā)別的產(chǎn)品時能充分利用。

大致可以分為四個模塊:

主控核心板

主控底板

充放電管理模塊

串口調(diào)試模塊

充放電管理模塊主要就是負責(zé)電池管理,充電,放電,電池保護等。

串口調(diào)試模塊主要在開發(fā)階段使用,通過打印信息到PC終端可以對設(shè)備軟件部分進行開發(fā),調(diào)試,設(shè)計完成之后就不需要了。

主控核心板主要是主控和其外圍電路,構(gòu)成一個最小系統(tǒng),單個主控板就可以使用,可以隨意的擴展底板,做音樂播放器,做網(wǎng)絡(luò)攝像頭,做語音助手都可。

主控底板就是簡易平板的核心外圍器件,主要有耳機接口,功放芯片,時鐘芯片,屏幕接口,觸摸接口,WIFI模塊,震動馬達接口,麥克風(fēng),一鍵開關(guān)機電路,陀螺儀芯片,溫濕度芯片,LED和少許按鍵等。

通過這些外圍器件構(gòu)成簡易平板和外界進行信息交換的渠道。

2.系統(tǒng)移植設(shè)計分析

這一部分是核心部分,也是最為復(fù)雜的部分,但又是最容易使用的部分,因為這部分一般都是芯片原廠開發(fā),然后提供給用戶使用。

也就是說關(guān)于這部分是可以通過簡單配置直接使用的。

首先就是Uboot編譯,Uboot是一段啟動代碼,和芯片底層進行打交道,包括系統(tǒng)時鐘配置,DDR初始化等一系列操作。

Uboot啟動之后會進行設(shè)備樹和Linux內(nèi)核加載,需要我們移植Linux內(nèi)核,Linux內(nèi)核整個十分龐大,我們只需要移植需要的部分,也就是需要進行內(nèi)核裁剪,裁剪編譯之后我們就需要掛載文件系統(tǒng),文件系統(tǒng)是后續(xù)文件存儲的部分,也是直接接觸的部分。

關(guān)于文件系統(tǒng)有好幾種選擇,可以選擇最小文件系統(tǒng),只有十幾MB大小,也可以選擇Debian系統(tǒng),分為帶桌面和不帶桌面的。

文件系統(tǒng)的編譯,也有好幾種方式,本系統(tǒng)采用Buildroot進行編譯最小文件系統(tǒng)。

3.驅(qū)動開發(fā)設(shè)計分析

在前面我們進行了硬件開發(fā)和系統(tǒng)移植,接下來就進行驅(qū)動開發(fā),這部分主要就是對硬件設(shè)計部分進行開發(fā),用設(shè)備樹進行引腳功能定義,用Linux內(nèi)核進行驅(qū)動開發(fā),可以編譯成Ko模塊加載,也可以直接編譯進內(nèi)核,直接編譯進內(nèi)核之后,上電會自動加載。

需要進行驅(qū)動開發(fā)的有以下器件。

WIFI模塊驅(qū)動開發(fā)去進行聯(lián)網(wǎng),時鐘模塊驅(qū)動開發(fā)進行時間顯示,溫濕度模塊開發(fā)進行溫濕度獲取,震動馬達驅(qū)動開發(fā)去控制馬達震動,觸摸驅(qū)動開發(fā)去使能屏幕觸摸效果,一鍵開關(guān)機電路驅(qū)動開發(fā)實現(xiàn)開關(guān)機,按鍵開發(fā)進行音量設(shè)置,還有以太網(wǎng)驅(qū)動開發(fā),RGB屏幕驅(qū)動開發(fā),麥克風(fēng)驅(qū)動開發(fā)等。

通過編寫驅(qū)動程序,簡易平板就可以和外界進行信息交換,為后面應(yīng)用開發(fā)做準(zhǔn)備。

驅(qū)動開發(fā)是最為復(fù)雜的,最容易出錯的,最費時間的,最不容易找到問題的。

4.應(yīng)用開發(fā)設(shè)計分析

驅(qū)動開發(fā)之后,說明本設(shè)計已經(jīng)具備和外界進行信息交換的能力,但具體如何去做,需要去進行應(yīng)用開發(fā)。

應(yīng)用開發(fā)也就是在Linux系統(tǒng)上使用系統(tǒng)應(yīng)用函數(shù)API去和硬件驅(qū)動打交道。

本系統(tǒng)設(shè)計的是簡易平板,肯定要實現(xiàn)平板所能做的一些事情,視頻播放,音樂播放,圖片播放,溫濕度獲取,天氣查詢,閱讀電子書,查看時間,查看日歷,記事本,NES游戲,屏幕背光調(diào)節(jié),手電筒等。

應(yīng)用程序通過Qt5進行編寫,Qt是一個可跨平臺的,靈活性高的開發(fā)軟件,簡單好移植,可以很好的應(yīng)用在嵌入式設(shè)備上。

5.3D外殼設(shè)計分析

在設(shè)計的最后階段,要進行簡易平板的包裝,不能給用戶一個裸板去使用。

用立創(chuàng)EDA專業(yè)版進行3D外殼的設(shè)計,操作簡單,并且可以在繪制完電路板之后直接在畫的PCB文件中進行設(shè)計,不用PCB設(shè)計軟件和3D建模軟件之間來回切換,大大節(jié)省了開發(fā)時間。

3D外殼設(shè)計的時候要注意幾個點,首先要保證散熱,不能全封死,對于按鍵,SD卡槽,USB接口,耳機口這些要進行開槽處理,屏幕部分可直接包住,屏幕外邊框不顯示。

設(shè)計框圖

1.整體設(shè)計框圖

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該框圖介紹了整體設(shè)計的思路,先從硬件電路出發(fā),經(jīng)過系統(tǒng)移植、驅(qū)動開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)和3D設(shè)計的操作,一步一步介紹構(gòu)造簡易平板的全過程。

2.硬件電路設(shè)計框圖

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該框圖介紹了簡易平板的硬件構(gòu)成,包括一些器件的選型和對應(yīng)功能電路,比如一鍵開關(guān)機、耳機功放切換電路等,可見設(shè)計一個產(chǎn)品需要包含很多的器件。

3.系統(tǒng)移植設(shè)計框圖

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該框圖介紹了簡易平板的系統(tǒng)移植,從三個方面出發(fā),Uboot移植,Linux內(nèi)核裁剪到最后的文件系統(tǒng)編譯,介紹了Linux系統(tǒng)硬件平臺的系統(tǒng)層面的基本操作。

4.應(yīng)用開發(fā)設(shè)計框圖

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該框圖介紹了簡易平板的應(yīng)用APP,可以直觀的看到簡易平板開發(fā)了豐富的應(yīng)用程序,這些基本的應(yīng)用程序可以滿足日常的需求,介紹了一個產(chǎn)品需要眾多軟件的支持。

硬件設(shè)計

1.核心板介紹

核心板設(shè)計大小為3cm * 5cm,采用四層板進行設(shè)計。

核心板設(shè)計的目的是為了方便擴展,主要是構(gòu)建基于主控的最小系統(tǒng),單核心板就能夠運行。

核心板設(shè)計硬件包括全志的V3S主控芯片,以及一些V3S的外圍電路,晶振,復(fù)位等,還使用了一個DCDC芯片EA3036可提供3路電源,用來給V3S提供電源。

和底板連接接口使用MINI PCIE接口,MINI PCIE可以引出56個引腳,核心板上引出RGB屏幕的FPC排座,這樣去掉RGB屏幕的引腳,剩下的引腳基本上可以全部引出。

核心板還板載了一顆W25N01GVZEIG存儲芯片,可用來存儲系統(tǒng),然后不需要SD卡運行啟動。

2.底板介紹

底板設(shè)計大小為7.6cm * 10cm,采用兩層板進行設(shè)計。

底板設(shè)計的主要功能就是構(gòu)造簡易平板所需的功能,包括一鍵開關(guān)機電路,電池接口,RTL8723BS WIFI藍牙模塊,耳機,8002B功放芯片,DS3231時鐘芯片,SHT30溫濕度芯片,MPU6050陀螺儀芯片,震動馬達接口,SD卡接口,音量加減鍵,關(guān)機鍵,復(fù)位鍵,還板載了RGB屏幕背光電路等。

通過底板上這些器件的運行可以保證實現(xiàn)本系統(tǒng)所需要的功能。

3.硬件電路原理圖分析

1.全志V3S主控芯片原理圖設(shè)計

本系統(tǒng)使用的主控芯片是全志的V3S,是ARM Cortex-A7架構(gòu),主頻最高支持1.2GHz,空載運行電流 90~100mA,滿載運行電流~180mA,集成 64MB DDR2,可從8~32MB SPI Nor Flash、128MB Nand Flash和SD卡等設(shè)備啟動。

有一個RGB666屏幕接口,支持常見的 272x480, 480x800,1024x600 等分辨率。

擁有一路100M Ether接口(含 EPHY),一路OTG USB接口,兩路Speaker接口和一路Mic接口等資源,非常適合開發(fā)多媒體設(shè)備,滿足簡易平板的應(yīng)用需求。

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2.EA3036電源芯片原理圖設(shè)計

本系統(tǒng)使用的電源芯片是一款DCDC器件,型號為EA3036,EA3036采用20針QFN 3X3封裝,EA3036支持2.7-5.5V范圍輸入,0.6V參考電壓。

EA3036為三路輸出,每路輸出可實現(xiàn)2A持續(xù)輸出能力,并提供獨立的使能端進行電源管理和上電時序控制。本系統(tǒng)的三路電源輸出分別為1.2V、1.8V和3.3V。

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3.RGB屏幕接口原理圖設(shè)計

這款芯片自帶有RGB666的接口,所以可以驅(qū)動RGB的屏幕。

RGB666表示數(shù)據(jù)有16位,分別是R6位,G6位,B6位,這些都是數(shù)據(jù)線,另外還有行同步信號,列同步信號,時鐘信號等。

RGB屏幕是一個通用接口,是市面上最為常見的屏幕之一,應(yīng)用非常廣泛。本系統(tǒng)原理圖畫的是正點原子的屏幕接口,并且?guī)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容觸摸。

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4.MINI PCIE接口原理圖設(shè)計

本系統(tǒng)是設(shè)計為核心板加底板的方式,那必然核心板上要留出接口。

關(guān)于接口,前期也了解很多,比如排針,BTB連接器,DDR,M.2,MINI PCIE等等。

最終選擇了MINI PCIE,因為MINI PCIE的引腳個數(shù)正好合適,間距為0.8mm,而與之相似的M.2的間距為0.5mm,PCB繪制的時候不好連線。

經(jīng)過層層考慮,最終選擇了MINI PCIE接口進行核心板與底板的連接。

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5.PT4103B23F升壓芯片原理圖設(shè)計

PT4103是一款升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器,設(shè)計用于從單電池鋰離子電池以恒定電流驅(qū)動多達8個串聯(lián)的白色LED。

由于PT4103直接調(diào)節(jié)輸出電流,因此它非常適合驅(qū)動發(fā)光二極管(LED),而RGB的屏幕背光正好是多個LED進行連接,這款芯片用來驅(qū)動背光再好不過。

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6.RT9193穩(wěn)壓芯片原理圖設(shè)計

RT9193是一款LDO芯片,輸出電壓為3.3V,選擇封裝為SOT-23-5,非常小巧,并且外圍電路也不多,容易嵌入到系統(tǒng)板上。

RT9193提供了穩(wěn)定可靠的電源,只要輸入電壓在一定的范圍內(nèi),輸出電壓永遠保持在3.3V。

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7.一鍵開關(guān)機原理圖設(shè)計

生活中的便攜式電子產(chǎn)品都具有開關(guān)機按鍵,比如手機電源鍵就是一種非常典型的一鍵開關(guān)機,長按開機,長按關(guān)機。

除了手機以外的其它電子產(chǎn)品,也可以使用這種方法,給用戶良好的體驗。

本系統(tǒng)就是基于用戶體驗的角度,在系統(tǒng)底板上加入了一鍵開關(guān)機電路,方便用戶對簡易平板進行操作。

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8.DS3231時鐘原理圖設(shè)計

DS3231是一款精度很高的實時時鐘芯片,內(nèi)置自動補償電路。

可以自動調(diào)整月份和日期,還有閏年補償功能,時鐘的工作格式可以有兩種模式,24小時模式或者12小時模式。

DS3231內(nèi)部集成了可編程的鬧鐘,并且支持兩路,DS3231這個實時時鐘不僅可以提供準(zhǔn)確的走時而且還能保持?jǐn)嚯娮邥r,極大保障了系統(tǒng)時間的準(zhǔn)確性。

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9.麥克風(fēng)原理圖設(shè)計

全志V3S集成了音頻ADC,可以外接一個麥克風(fēng),通過麥克風(fēng)可以獲取外界的聲音,然后存儲起來,可以實現(xiàn)錄音的功能。

還可以開發(fā)軟件部分,使其支持語音識別,可以實現(xiàn)語音助手的功能。

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10.耳機和8002B功放原理圖設(shè)計

全志V3S不僅支持音頻ADC,還支持播放音頻,可以接一路耳機,有左右雙通道。

雖然插上耳機就可以播放音頻,但畢竟還是需要有耳機才能播放。

在設(shè)計上加入一個功放芯片8002B,通過功放外接一個喇叭就可以支持聲音外放。

而且設(shè)計過程中對耳機和功放部分做了處理,使插上耳機的時候耳機播放,不插耳機的時候就外放。

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11.RTL8723BS WIFI藍牙原理圖設(shè)計

RTL8723BS是一款小尺寸,小巧的WiFi + BT組合模塊,電路板尺寸為12mm * 12 mm,高度為1.6mm。

常適合平板電腦,超極本,移動設(shè)備和消費類產(chǎn)品。

它提供用于WiFi的GSPI/SDIO接口與主機處理器連接以及用于BT的高速UART接口,WiFi的吞吐量理論上可以達到150Mbps。

本系統(tǒng)設(shè)計模塊的初衷就是為了方便聯(lián)網(wǎng),畢竟作為一個移動設(shè)備,不可能一直插網(wǎng)線這種方式,并且這款模塊還支持藍牙,相當(dāng)于一個模塊就繼承了WiFi和藍牙,非常適合本系統(tǒng)。

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12.MPU6050陀螺儀原理圖設(shè)計

MPU6050是一款陀螺儀芯片,內(nèi)置陀螺儀和加速度計,可以通過檢測當(dāng)前的姿態(tài)來判斷當(dāng)前的平板的姿態(tài)位置。

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)重力感應(yīng),自動翻轉(zhuǎn)屏幕,充當(dāng)計步器等功能。

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13.SHT30溫濕度原理圖設(shè)計

SHT30是一款溫度和濕度傳感器。它的封裝為DFN-8,封裝外形為2.5mm * 2.5mm,同時保持0.8mm的高度,這意味著可以將它集成到多種應(yīng)用中。

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是為了能夠?qū)崟r獲取外界環(huán)境的溫度和濕度,給用戶一個直觀的體驗。

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14.震動馬達原理圖設(shè)計

震動馬達是一個可以發(fā)生震動的器件,通過一個三極管就可以驅(qū)動。

諸如手機一樣,當(dāng)設(shè)置為震動模式的時候,不會發(fā)出聲音,但是手機本身發(fā)出震動。

本系統(tǒng)就是基于這樣的設(shè)計思想,當(dāng)簡易平板設(shè)置為震動模式的時候,一旦有外界消息震動馬達就會發(fā)出震動,以提醒用戶及時查看消息。

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PCB分析

1.核心板PCB分析

核心板PCB為四層板,最小線寬為4mil,是嘉立創(chuàng)四層板所支持的最小工藝。

整體設(shè)計為兩面都有器件,因為核心板只有設(shè)計的比較小,才能更方便的集成到應(yīng)用中去。

正面放置EA3036 DCDC器件,主控芯片V3S,和RGB屏幕接口FPC,F(xiàn)PC放到正面是為了方便后續(xù)接屏幕。

背面大多是一些電容電阻和一個W25N01GVZEIG備用,W25N01GVZEIG默認是不焊接的。

在內(nèi)層1對電源進行了分割,主要有VBUS,1V2,3V0,3V3等。

在內(nèi)層進行電源分割,不僅方便布線,還增強系統(tǒng)的可靠性。

2.底板PCB分析

底板PCB為兩層板,最小線寬為6mil,嘉立創(chuàng)雙面板線寬最小支持5mil。

整體設(shè)計為只有背面有器件,因為正面是把整個屏幕貼上去,這個在設(shè)計的時候需要考慮屏幕的排線,在對應(yīng)的位置進行開槽處理,方便排線連接。

還有就是電源開關(guān)和音量開關(guān)的位置要放在合適的位置,方便我們?nèi)ゲ僮鳌?/p>

還有type-c接口、麥克風(fēng)、耳機口,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接口是順的,也就是FPC排線連接是順的,不能交叉打結(jié)。

MPU6050的位置最好放到板子的正中間,這樣測量結(jié)果是最正確的。RTL8723BS的天線部分不要覆銅。

測試效果

1.主界面測試

主界面是程序啟動就進入的界面,里面羅列了十幾款A(yù)PP應(yīng)用,可滑動翻頁,點擊對應(yīng)的APP圖標(biāo)會進入到對應(yīng)的APP應(yīng)用界面。

2.音樂播放測試

音樂播放界面實現(xiàn)了歌詞根據(jù)進度條滾動顯示,有可暫停、可上一曲,可下一曲等功能,會顯示當(dāng)前播放進度和總進度時長,可滑動滾動條跳轉(zhuǎn)音樂播放進度。

3.電子書測試

電子書分為兩個界面,點擊電子書圖標(biāo)會進入書架界面,會列舉當(dāng)前文件中的書籍信息,選擇對應(yīng)的書籍可以進入閱讀界面,在閱讀界面可以修改背景顏色和文字顏色等。

4.天氣預(yù)報測試

點擊天氣圖標(biāo)會進入到天氣查詢界面,輸入對應(yīng)的城市名點擊查詢按鈕,即可顯示當(dāng)前的溫度和風(fēng)向等信息,在最下面還會有溫馨提示。

點擊左上角的切換按鈕可以查看未來幾天的天氣情況,提醒注意防護。

5.計算器測試

點擊計算器圖標(biāo)會進入到計算器界面,里面有一張背景圖片和按鈕形成對比,方便使用按鈕進行操作,支持連續(xù)加減乘除運算,計算結(jié)果大字顯示,方便獲取。

6.設(shè)置界面測試

點擊設(shè)置圖標(biāo)會進入到設(shè)置界面,在設(shè)置界面可以設(shè)置WIFI,藍牙,聲音,顯示,日期等操作,點擊關(guān)于選項會進入關(guān)于界面顯示一些系統(tǒng)的內(nèi)存大小,版本等信息。

結(jié)論

本文主要介紹了簡易平板的設(shè)計與實現(xiàn),該系統(tǒng)從硬件設(shè)計開始,經(jīng)過系統(tǒng)移植,驅(qū)動開發(fā),應(yīng)用開發(fā),外殼設(shè)計等操作,已經(jīng)涵蓋了一個產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)的基本過程。

硬件設(shè)計也是很有門道的,稍微有一點地方不對,就需要重新打板子。

本系統(tǒng)從設(shè)計開始到最后的成品,一共做過兩塊開發(fā)板、三塊核心板和三塊底板,相當(dāng)于光板子就做了八塊,其中多次涉及兩層板和四層板,還包含電源分割和一些常規(guī)的注意事項。

通過設(shè)計本系統(tǒng),可以加強對硬件設(shè)計部分的基本操作,可以熟練進行PCB設(shè)計。

系統(tǒng)部分主要涉及Linux系統(tǒng)的知識,通過對Uboot、Linux內(nèi)核和Rootfs的編譯,熟練配置交叉編譯器,了解Makefile的執(zhí)行機制和編程規(guī)范,能對.config文件進行修改和添加。

驅(qū)動開發(fā)主要操作是對硬件底層的操作,需要看懂器件的使用手冊,能用通信協(xié)議驅(qū)動器件,知道如何用設(shè)備樹去配置引腳,如何靈活的使用驅(qū)動框架等。

應(yīng)用開發(fā)主要涉及Qt知識,能熟練使用C++編程語言,明白信號和槽的機制,會一點UI設(shè)計,能對圖片進行基本處理等。

外殼設(shè)計主要是對一些3D圖形進行處理,能熟練對PCB進行外殼設(shè)計,知道如何開孔,如何設(shè)置固定孔等。

通過對本系統(tǒng)進行設(shè)計,可以掌握很多知識,對于自身能力也是一種提高。

在本課題簡易平板的設(shè)計與開發(fā)的過程中查閱了很多相關(guān)資料,提供了很多的思路,也借鑒了其中設(shè)計好的部分。

本系統(tǒng)基于Linux和Qt5進行開發(fā)設(shè)計,操作系統(tǒng)加UI的設(shè)計方向是移動設(shè)備的一種常規(guī)操作。

只有每一步都設(shè)計合理,最后的成品才會實現(xiàn)它應(yīng)有的功能。

雖然本系統(tǒng)設(shè)計的時間周期很長,但由于所涉及的知識龐雜,需要開發(fā)的內(nèi)容較多,設(shè)計過程中難免會有設(shè)計缺陷和功能不完善之處,希望多多指正。

在后續(xù)的時間里,還會繼續(xù)開發(fā)一些功能和修改一些缺陷,使功能更加完善,系統(tǒng)更加健全。


審核編輯:劉清

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