嵌入式多媒體綜合控制系統(tǒng)的研制

[摘 要] 隨著教育信息技術(shù)的深入發(fā)展，各院校紛紛籌建多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，為此我們研制開發(fā)符合教育需求的嵌入式綜合控制系統(tǒng)。本文首先就多媒體綜合控制系統(tǒng)的原理做了較為詳細(xì)的論述，然后著重闡述了以Motorola單片機(jī)為核心的系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)，諸如紅外遙控碼接收、分析與發(fā)射、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、以及視音頻矩陣切換等。
[關(guān)鍵字] 多媒體、Motorola單片機(jī)、紅外遙控、矩陣切換

1 引言
以多媒體和國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)正在以驚人的速度改變著人類生存方式。同時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)的教育模式也帶來了很大的沖擊。信息技術(shù)使教育傳播媒體已不再僅限于書本中的單一文字，還有融文字、聲音、圖形、動(dòng)畫、影像為一體的電子教科書、多媒體軟件以及網(wǎng)上傳輸?shù)挠耙暪?jié)目、衛(wèi)星節(jié)目和虛擬現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境等等。多媒體綜合教室是將計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域形成的，將圖像、聲音、文字、動(dòng)畫等媒體融合起來，為學(xué)生提供豐富生動(dòng)教學(xué)素材，達(dá)到寓教于樂效果的新型教室。

隨著＂后PC時(shí)代"的概念提出，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制領(lǐng)域，而以其特有的優(yōu)勢(shì)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。而我們所開發(fā)的系統(tǒng)也正是以單片機(jī)為核心的多媒體綜合控制系統(tǒng)

2 多媒體綜合控制系統(tǒng)的原理與關(guān)鍵技術(shù)
多媒體綜合控制系統(tǒng)要將錄像機(jī)、影碟機(jī)、多媒體計(jì)算機(jī)、實(shí)物展示臺(tái)、投影機(jī)等先進(jìn)的視聽設(shè)備以及其它環(huán)境設(shè)備有機(jī)地連接起來，由教師根據(jù)教學(xué)需要來有選擇的播放多媒體課件和調(diào)節(jié)環(huán)境。

系統(tǒng)要對(duì)多中播放媒體進(jìn)行選擇播放并控制播放設(shè)備。如圖 1所示，MPU（主處理器）部分學(xué)習(xí)、記憶設(shè)備的遙控碼，并回控設(shè)備；對(duì)計(jì)算機(jī)VGA增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)，分路輸出；對(duì)錄像機(jī)、影碟機(jī)等模擬視音頻按鍵盤掃描有選擇的切換；對(duì)電動(dòng)窗簾、屏幕、燈光等的控制。

系統(tǒng)選用了內(nèi)部自帶Flash Memory 的高性能微處理器--Motorola MC68HC08GP32作為中央控制器，由它實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行容錯(cuò)處理，實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)讀取、判別和存儲(chǔ)以及輸出紅外遙控信號(hào)，完成視、音頻矩陣開關(guān)切換控制。



圖 1 多媒體綜合控制系統(tǒng)原理圖

2.1 紅外遙控解調(diào)
紅外遙控發(fā)射與接收是本系統(tǒng)的核心。紅外遙控發(fā)射器是一種脈沖編碼調(diào)制器，它在發(fā)射遙控指令時(shí)把二進(jìn)制數(shù)調(diào)制成一系列的脈沖串信號(hào)（載波信號(hào)）后發(fā)射出去，常用的調(diào)制方法有脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖位置調(diào)制（PPM）兩種．紅外遙控信號(hào)處理過程如圖2所示，信號(hào)經(jīng)遙控發(fā)射器發(fā)送，由遙控受光前置放大器接收，解調(diào)（解碼）、放大后為脈沖輸出，最后送入微處理器進(jìn)行譯碼、存碼，并回控設(shè)備。


圖 2 紅外遙控接受發(fā)射基本原理

紅外遙控信號(hào)接收器把接收到的紅外信號(hào)先經(jīng)光電二極管解調(diào)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過繼承電路再對(duì)38KHZ調(diào)制進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)為帶有一定功能指令碼的紅外信號(hào)。并對(duì)此信號(hào)加以放大、整形和解調(diào)而輸出功能指令碼。紅外遙控信號(hào)接收器最常用的集成電路是CX20106A，如圖 3所示。它由前置放大、自動(dòng)偏壓控制、振幅放大、峰值檢波和整形電路組成。其中，R1為前置放大器負(fù)反饋電阻；改變它大小，可以調(diào)放大器增益；R2為檢波器中心頻率調(diào)節(jié)電阻；R3為輸出端負(fù)載電阻；C2為檢波電容；C3為積分電容；Vp為光敏二極管，也可用光敏三極管。


圖 3 CX20106A原理圖

2.2 紅外遙控編碼
目前，各國(guó)電器生產(chǎn)廠家對(duì)遙控脈沖編碼及碼流還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。其中最為常用的是PWM碼(脈沖寬度調(diào)制碼)和PPM碼(脈沖位置調(diào)制碼)。前者以寬脈沖表示1，窄脈沖表示0。后者脈沖寬度一樣，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表1，碼位窄的代表0。大多數(shù)都采用圖中所示的方法表示"0"和"1"。其中 tw一定，tp0≠tp1。如圖 4所示。


圖 5 遙控碼碼流結(jié)構(gòu)分析


圖 6 單片機(jī)接收到的碼流

如圖 6所示，若要將這串脈沖如實(shí)的記錄下來，只須將每一個(gè)脈沖的寬度tw，以及脈沖之間的距離td記錄下來，故可用一組（tw，td）來表示一個(gè)脈沖信息，并稱之為一個(gè)信息位，用T來表示，每一個(gè)T包括tw，td兩部分，這樣，就可以用一個(gè)二維數(shù)組T（tw，td）來表示各個(gè)信息位，即可得到這樣一組碼表： T１、T２、T３……，稱之為數(shù)據(jù)碼表。

2.3 視音頻矩陣切換
從圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的信號(hào)輸入源的選擇播放，就需要視/音頻矩陣切換電路來完成對(duì)多路輸入信號(hào)的選擇播放。MT8816是8＊16模擬開關(guān)矩陣。它由7～128線地址譯碼器、128位控制數(shù)據(jù)鎖存器和8*16模擬開關(guān)陣列組成。它的電路原理如圖7所示，圖中用PA0~PA6 作為MT8816的行地址和列地址控制線，PB0～PB3分別作為選通脈沖ST、數(shù)據(jù)輸入DI、片選信號(hào)CS的復(fù)位信號(hào)RESET。ROWo～ROW15 作為輸入，COLo～COL7作為輸出。即16路輸入，8路輸出。


圖7 視頻矩陣切換原理圖

在實(shí)際控制中，由單片機(jī)先置CS為高電平，寫入行、列地址，然后置ST為高電平，將地址輸入，最后再將ST置為低電平，利用ST的下降沿將數(shù)據(jù)DI寫入鎖存單元，以控制所選交差點(diǎn)開關(guān)的通斷。若DI為高電平，則相應(yīng)開關(guān)導(dǎo)通；若DI為低電平則開關(guān)截止。當(dāng)數(shù)據(jù)DI寫入鎖存器時(shí)，僅與相對(duì)應(yīng)地址開關(guān)有關(guān)，與其它開關(guān)無關(guān)，這可實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的任意連接。復(fù)位信號(hào)輸入RESET若為高電平，不管片選CS處于何電平，均將全部開關(guān)置于截止?fàn)顟B(tài)。

2.4 VGA矩陣切換
VGA標(biāo)準(zhǔn)同以往的CGA、EGA等標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，它采用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，輸出模擬視頻信號(hào)，因此同TTL數(shù)字信號(hào)比，其彩幀顯示能力大大增強(qiáng)，原則上可顯示無窮多的顏色，是后來所有顯示技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。VGA標(biāo)準(zhǔn)采用15針頭D型插頭。VGA有紅、綠、藍(lán)三種基色和行、場(chǎng)兩個(gè)同步信號(hào)。它的最高分辨率為 640*480，行頻為31HZ，場(chǎng)頻為60HZ或70HZ。它可以兼容CGA、EGA顯示標(biāo)準(zhǔn)。為了兼容CGA卡的200線的顯示方式，采用了兩次掃描的技術(shù)，即對(duì)200線中的每一線都顯示為相鄰的兩行，兩行的內(nèi)容一樣。

MAX465是由美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的模擬開關(guān)，它提供了二組（3）輸入．一組（3）輸出，也就是說有六路輸入和三路輸出。它具有2倍的電壓增益輸出，并且能在帶寬為90Mhz內(nèi)可以獲得穩(wěn)定的2倍電壓增益。

在本系統(tǒng)中，主要是對(duì)VGA的三基色和行、場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行處理?？梢圆捎脙善琈AX465級(jí)連控制即可。

2.5 智能處理器
Motorola系列的單片機(jī)是目前世界上銷量最高的8位單片機(jī)之一。由于其價(jià)格低廉，系列品種多等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在家用電器、儀器儀表、移動(dòng)通信和簡(jiǎn)易的控制系統(tǒng)等方面得到了極其廣泛的應(yīng)用。

MC68HC08GP32繼承HC05編程模式，內(nèi)有512字節(jié)RAM，32,256字節(jié)Flash Memory。片內(nèi)I/O功能較強(qiáng)，除有常見的并行I/O外，還有串行I/O、輸入捕捉、PWM（Pulse-Width Modulation）輸出和實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC等功能。有一個(gè)多功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有輸入捕捉和輸出比較功能，并自帶Watchdog 監(jiān)控功能。

2.5.1外部EEPROM擴(kuò)展

系統(tǒng)在讀碼、析碼之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)碼進(jìn)行不可遺失性存儲(chǔ)。這就需要外擴(kuò)EEPROM。鑒于對(duì)鍵盤實(shí)時(shí)掃描已占用了單片機(jī)大量的端口，因此選用24C32A 這一基于I2C的4K*8兩線串行讀/寫EEPROM，它具有較強(qiáng)的總線擴(kuò)展功能，可以擴(kuò)展到8片。如圖7所示，系統(tǒng)使用兩片EEPROM。

同時(shí)，由于設(shè)備遙控碼的長(zhǎng)度并不一定，而且差異很大。因此，為了不浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，對(duì)遙控碼的存儲(chǔ)采用動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間的方式。即系統(tǒng)在每塊存儲(chǔ)器起始位置留出特定的存儲(chǔ)空間用來存放本片內(nèi)各個(gè)遙控碼的起始位置信息。


圖7 EEPROM擴(kuò)展

在對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫控制中，由單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)（SCL），控制總線的讀/寫。如圖8所示，一個(gè)讀寫周期一般包括寫控制字節(jié)選擇存儲(chǔ)器、送高8位地址字節(jié)、送低8位地址字節(jié)，讀/寫數(shù)據(jù)。對(duì)存儲(chǔ)器的讀/寫要以應(yīng)答方式進(jìn)行。


圖8 24C32讀/寫控制

2.5.2輸入捕捉與輸出比較
在本系統(tǒng)中需要將被解調(diào)后的信號(hào)記錄下來，該信號(hào)解調(diào)后頻率教低，在100HZ以內(nèi)，一般都是利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器按一定的計(jì)數(shù)周期對(duì)高、低電平的時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)數(shù)，保存了這些數(shù)據(jù)就等于記錄了完整的信號(hào)。

MC68HC08GP32微控制器器有一個(gè)特殊的功能模塊，即輸入捕捉。該模塊用來監(jiān)測(cè)外
部的事件和輸入信號(hào)。當(dāng)外部事件發(fā)生或信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個(gè)指定的沿跳變（可以指定該跳變是上升還是下降沿）。定時(shí)器捕捉到特定的沿跳變后，把自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器當(dāng)前的值鎖存到輸入捕捉寄存器。如果在輸入捕捉控制寄存器中設(shè)定允許輸入捕捉中斷，系統(tǒng)回產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，利用中斷處理軟件可以得到事件發(fā)生的時(shí)刻或信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻。


圖9 輸入捕捉原理 　　　　　　　　　　　圖10 輸出比較原理

輸入捕捉模塊的原理如圖9所示。通過記錄輸入信號(hào)的連續(xù)的沿跳變，就可以算出輸入信號(hào)的周期和脈寬。在本系統(tǒng)中用該模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)解調(diào)后的紅外遙控信號(hào)的讀取。

在對(duì)保存的信號(hào)輸出時(shí)，還需要將它調(diào)制在38KHZ的載波上。此38KHZ的載波可由硬件產(chǎn)生也可由軟件產(chǎn)生。在本系統(tǒng)中選擇使用軟件方式。

與輸入捕捉模塊相對(duì)應(yīng)，MC68HC08GP32還有一個(gè)輸出比較功能模塊。用它可以得到非常精確的輸出時(shí)間間隔。如圖10所示，該模塊用來在規(guī)定的時(shí)刻輸出需要的電平。16位自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的值每遞增一次，就和輸出比較寄存器的值比較一次。當(dāng)兩個(gè)值等的時(shí)候，輸出比較模塊置位定時(shí)器通道的狀態(tài)和控制寄存器，并且在該通道的引腳上崗輸出預(yù)先規(guī)定的電平。這樣，通過修改輸出比較寄存器的值，就可以輸出不同頻率的波形。我們利用該模塊來精確輸出帶載波的遙控信號(hào)。

2.5.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件主要依照鍵盤掃描到的內(nèi)容，分別完成三方面的工作，其一是紅外遙控信號(hào)的讀取與存儲(chǔ)，其二是紅外遙控信號(hào)的發(fā)射。其三是對(duì)外圍器件的控制，實(shí)現(xiàn)視/音頻矩陣切換與環(huán)境控制。具體流程見圖11。

 
圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)
近20年來，以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)已迅速滲透到各個(gè)領(lǐng)域。使用單片機(jī)作為多媒體綜合控制器不僅可以優(yōu)化系統(tǒng)，替代大規(guī)模邏輯控制模塊，而且使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。性價(jià)比大大提高。

對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào)讀碼、以及調(diào)制發(fā)射是系統(tǒng)的核心所在，而編碼分析則是系統(tǒng)的關(guān)鍵，其編碼方式使得開發(fā)者一度困惑，不同廠家、不同設(shè)備采用的遙控編碼方式大相徑庭，而且還會(huì)出現(xiàn)不同設(shè)備功能遙控碼相同。這對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的集成、融合大為不利，因此提議有建立一個(gè)統(tǒng)一的編碼協(xié)議。這不僅有助于廠家產(chǎn)品市場(chǎng)擴(kuò)展，而且便于使用者操作。