基于ANDROID4.X的智能電視電腦一體機(jī)的設(shè)計(jì)方案

0 引 言

當(dāng)前市場上實(shí)現(xiàn)電視電腦一體機(jī)解決方案主要有兩種方法：第一種方法是在現(xiàn)有的電視電路的基礎(chǔ)上增加數(shù)字解碼電路，然后外加PC 主板方案。這類方案在前幾年被廣泛采用，它主要是電視、電腦兩機(jī)的簡單組合，集成度低、成本較高。第二種是專用單芯片方案，這是目前智能云電視的主流方法。

它主要采用的是性能較差的嵌入式主控板，從而實(shí)現(xiàn)了智能云電視的上網(wǎng)功能，但芯片性能低，主控板電路較簡單，性能較差，故對PC 功能的支持有限，完成不了PC 機(jī)的正常工作，且成本較高，后期開發(fā)難度較大。本文提出第三種方法是智能電視電腦一體化方案，它通過改造傳統(tǒng)的PC 主板來解決。由于PC 主板功能強(qiáng)大，性能較高，而且其功能靈活多變，容易通過USB 接口接入觸摸屏，并通過觸摸屏輸入解決了傻瓜用戶不能使用鍵盤的苦惱，簡單化用戶的使用，是智能電腦電視一體機(jī)的傻瓜化應(yīng)用，并支持語音輸入與輸出，能滿足未來家庭數(shù)字化需求，智能電視云化的物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用。

1 觸摸屏電視電腦一體機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法

本方案是在PC 主板上增加模擬信號(hào)的接收和解碼，以及數(shù)字信號(hào)的接收和解碼電路，讓電視信號(hào)可以輸入PC 主板，從而實(shí)現(xiàn)智能云電視功能，并通過PC 主板上的USB3.0 接口接入觸摸屏，最終實(shí)現(xiàn)帶觸摸功能的電視電腦一體機(jī)，并支持傳統(tǒng)的鍵盤鼠標(biāo)輸入操作，同時(shí)也支持麥克風(fēng)輸入與音箱輸出。圖1 所示是帶有觸摸屏輸入功能的電視電腦一體機(jī)的電路框圖。

首先，本系統(tǒng)在PC 主板上增加模擬電路，用于實(shí)現(xiàn)模擬電視信號(hào)的接收。射頻模擬電視信號(hào)通過一體化調(diào)諧器( 高頻頭) 接收，解調(diào)后輸出視頻信號(hào)，再送給主板上的模擬解碼芯片。同時(shí)，AV 輸入的模擬視頻信號(hào)或者S-VIDEO 輸入的模擬視頻信號(hào)也輸入到主板上的此解碼芯片。主板上的此模擬解碼芯片的作用是把各類模擬信號(hào)經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后再經(jīng)過數(shù)字處理、解碼，最后輸出格式為ITU656 或ITU601 的數(shù)字信號(hào)。

其次，在PC 主板上增加數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視信號(hào)的接收。讓PC 主板接收數(shù)字電視信號(hào)比接收模擬信號(hào)并完成信號(hào)調(diào)制和解調(diào)相對復(fù)雜些，主板的數(shù)字電路通過高頻頭( 調(diào)諧器) 接收射頻數(shù)字電視信號(hào)并完成信道解碼后輸出串行的TS 流。由于數(shù)字電視信號(hào)通常是加密的信號(hào)，這時(shí)還需對TS流進(jìn)行解密操作。經(jīng)過解密的TS 流最后送給芯片組，由此芯片組完成MPEG2 信源解碼。經(jīng)芯片組動(dòng)態(tài)降噪、去隔行處理、格式變換、圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)等處理操作后，標(biāo)清和高清的電視信號(hào)被轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式( 如1 920×1 080 P/60 Hz) 的LVDS 信號(hào)，并送給LCD 顯示屏，完成電視信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)電視功能。由于PC 主板接口較豐富，USB 接口較多，且支持最新的USB3.0 接口，因此可以外接觸摸屏，完成觸摸功能的輸入操作，這也可以取代傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標(biāo)操作。另外，此主板還帶有音頻輸入輸出接口，可以完成聲音的輸入與輸出，此主板還支持目前四核的威盛處理器，支持最新的DDR3 內(nèi)存。與傳統(tǒng)的嵌入式主板相比，此主板功能強(qiáng)大，不僅可以裝入嵌入式操作系統(tǒng)WINCE 或LINUX,也可以支持最新的WIN8 與ANDROID 系統(tǒng)。內(nèi)帶2 個(gè)SATA 接口可以接硬盤和光驅(qū)，其余的USB3.0 接口，讓U 盤安裝ANDROID 等系統(tǒng)成為可能，且USB3.0 的速度較USB2.0 提高速度十倍以上。

2 個(gè)內(nèi)帶的PS/2 接口可以支持傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標(biāo)輸入。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 主板集成的主要器件選擇

由于觸摸輸入的電視電腦一體機(jī)市場前景較好，許多IT廠商(例如聯(lián)想)都在從傳統(tǒng)的IT 領(lǐng)域進(jìn)軍家電領(lǐng)域，許多家電企業(yè)如海爾也努力進(jìn)入IT 領(lǐng)域，因此電腦電視觸摸屏的結(jié)合的一體機(jī)產(chǎn)品成為了各大巨頭重要的競爭場所。Intel、AMD 和VIA 等更是不甘落后，相繼推出適合嵌入式應(yīng)用的高集成度、低功耗CPU 和芯片組，甚至有的把CPU(1 GHz以上)、南橋、北橋及其他接口集成在一起。本主板集成選用1.2 GHz 威盛 QuadCore-E 四核 E 系列處理器或1.0 GHz 威盛Eden X2 處理器及最新的威盛VX11H 媒體系統(tǒng)芯片組，為微型化系統(tǒng)提供出色的計(jì)算性能。該系列屬于X86 體系，可運(yùn)行WINDOWS8 和ANDROID4.X 嵌入式操作系統(tǒng)。從系統(tǒng)框圖中可以看出，在PC 主板的基礎(chǔ)上增加了數(shù)字高清電視高頻頭和信道解碼部分電路以及模擬信號(hào)高頻頭和標(biāo)清信號(hào)的解碼電路，從而完成模擬電視與數(shù)字電視的接收功能，并通過USB3.0 接口連接觸摸屏，實(shí)現(xiàn)觸摸輸入取代傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標(biāo)輸入。通過PC 主板自帶的語音輸入輸出口完成語音的輸入輸出，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)交流。采用最新的威盛EPIA-M920Mini-ITX 主板不僅節(jié)約了研發(fā)成本，減少了一體機(jī)的體積，還降低了功率，減少了發(fā)熱量。

2.2 PC 主板上的CPU 選取

威盛 QuadCore E 系列處理器集成 4 個(gè) 高性能 64 位核心，為嵌入式電視電腦一體機(jī)提供低功耗、高性能的多任務(wù)處理和出色的多媒體性能，四核64位最新處理器讓電視電腦一體機(jī)運(yùn)行速度更快。威盛 QuadCore E 系列處理器采用低功耗、高性能的多核架構(gòu)，可提供出色的多線程支持，實(shí)現(xiàn)低功耗的多任務(wù)執(zhí)行、多媒體回放、高運(yùn)算能力及互聯(lián)網(wǎng)瀏覽。

威盛 QuadCore E 系列處理器支持分布式處理，容易實(shí)現(xiàn)在各種多屏顯示環(huán)境中的應(yīng)用。威盛 QuadCore E 系列處理器支持 64 位操作系統(tǒng)，還具有自適應(yīng)超頻，擁有4 MB 二級(jí)高速緩存及 1 066 MHz V4 總線等一系列性能。其低功耗設(shè)計(jì)在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，如主頻為 1.0+ GHz 的威盛 QuadCore E 系列處理器(超低功耗版本)熱設(shè)計(jì)功耗在無風(fēng)扇配置下運(yùn)行功率僅為 18 W.此外，威盛 QuadCore E 系列處理器還支持虛擬化技術(shù)，可在虛擬環(huán)境中運(yùn)行相關(guān)軟件和應(yīng)用，并對自身性能毫無影響。威盛 QuadCore E 系列處理器采用威盛 PadLock先進(jìn)譯碼引擎，提供全球最快的 AES 加密，并實(shí)現(xiàn)了基于硬件的運(yùn)行數(shù)據(jù)加密，是運(yùn)行數(shù)據(jù)的內(nèi)容保護(hù)和系統(tǒng)安全的重要工具。威盛 QuadCore E 系列處理器提供主頻為 1.0+ GHz、1.2+ GHz、1.46+ GHz 的三種型號(hào)產(chǎn)品，它采用最新的 40 nm制程工藝生產(chǎn)，21 mm × 21 mm 威盛 NanoBGA2 封裝，其核心尺寸僅為 11 mm × 6 mm,可與威盛C7、威盛Eden、威盛Nano X2 處理器系列及威盛 Eden E 處理器完全地針腳兼容。

2.3 一體機(jī)的主板和芯片組選擇

威盛EPIA-M920 Mini-ITX 主板基于業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的Mini-ITX 板型，尺寸為17 cm × 17 cm.后面板 I/O 包括 2 個(gè)千兆以太網(wǎng)接口(可選)、2 個(gè) USB 3.0 接口、2 個(gè) HDMI 接口、1個(gè) VGA 接口、1 個(gè) COM 接口、2 個(gè) USB 2.0 接口及音頻輸入、輸出插孔及麥克風(fēng)插孔。板載排針包括 2 個(gè) LVDS、1 個(gè)USB 3.0 接口及額外的 4 個(gè) USB 2.0 接口、2 個(gè) SATA 接口、3個(gè) RS232 接口支持 5 V/12 V 電壓、數(shù)字 I/O、LPC、1 個(gè) SD卡(SDHC/SDXC)及 1 個(gè) PCIe x4 卡槽。該主板最高可支持16 GB、1 333 MHz DDR3 內(nèi)存，此外，還提供ATX 或直流電源支持。

威盛 VX11H 媒體系統(tǒng)芯片組支持 DirectX11 及 3D 立體顯示，它采用最新威盛 Chromotion 5.0 視頻處理器，提供高性能硬件高清視頻解碼。威盛Chromotion 5.0 視頻處理器在1 080 p 高清分辨率下為最新的MPEG-2、MPEG-4、VC1、WMV9 及高清H.264 視頻格式內(nèi)容提供硬件加速，為用戶提供極為豐富的娛樂體驗(yàn)。

2.4 一體機(jī)模擬解碼芯片選擇

目前常用的模擬/ 數(shù)字信號(hào)解碼芯片都支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解碼，有些芯片還集成了三通道高速ADC或HDMI 接收器等。主流的數(shù)字解碼芯片主要有ADI 公司的ADV7184/ADV7403/ADV7441、TI 公司的TVP5147/TVP5160、NXP 公司的SAA711x、MICRONAS 公司的VPC3230D、 PW公司的PW2300/PW3300 等。另外，選擇一體機(jī)的解碼芯片時(shí)還必須考慮其適應(yīng)的市場，如北美市場要考慮CCD/V-CHIP和立體聲，歐洲市場則要考慮圖文電視接收和SCART 接口等。

此處的一體機(jī)解碼芯片選用功能較全的ADV744110 來支持10位數(shù)字處理。該芯片可支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解碼，擁有兩路HDMI 高清輸入，并支持12 組模擬信號(hào)輸入，輸入的多類模擬信號(hào)可以是CVBS 全電視信號(hào)、YpbPr 分量信號(hào)、S-Video 亮色分離信號(hào)和RGB 基色信號(hào)，具有標(biāo)清模擬信號(hào)去鋸齒濾波器，可節(jié)約外加額外的濾波器成本。ADV7441擁有四路150 MHz 帶寬的ADC,支持1 080 p 的高清信號(hào)輸入及SXGA 的RGB 信號(hào)輸入，可自動(dòng)辨識(shí)電視系統(tǒng)(NTSC/PAL/SECAM) , 具有VBI 功能， 軟件完成TELETEXT 和CCD/V-CHIP.數(shù)字輸出口可以是ITU656ITU601 數(shù)字色差編碼信號(hào)或者24 位的RGB 信號(hào)。

2.5 調(diào)諧器選擇

調(diào)諧器也稱高頻頭，它通常用鐵盒的屏蔽封裝。調(diào)諧器根據(jù)接收信號(hào)分為模擬、數(shù)字、數(shù)模一體化三種，其中有些數(shù)模一體化調(diào)諧器還具備信道解碼功能。調(diào)諧器從接收信號(hào)的制式上看，模擬信號(hào)調(diào)諧器可以做到全制式接收，數(shù)字信號(hào)調(diào)諧器的接收按地區(qū)分為DVB、ATSC、ISDB、DMB 等。

同時(shí)，數(shù)字信號(hào)接收還因傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)不同，從而實(shí)現(xiàn)的信道編碼方式也不相同，如在歐洲有線網(wǎng)絡(luò)用DVB-C、地面廣播用DVB-T、衛(wèi)星廣播用DVB-S、手持設(shè)備用DVB-H 等。[!--empirenews.page--]

近年來體積更小的硅調(diào)諧器發(fā)展迅速，它不用鐵盒封裝，而是直接將硅集成電路焊接在電路板上，從而打破了傳統(tǒng)的調(diào)諧器概念，它具有體積小和成本低的優(yōu)勢。本一體機(jī)的調(diào)諧器選用NXP 公司最新推出的新型數(shù)模一體化硅調(diào)諧器TDA18274,它不但兼容所有的模擬與數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)(PAL、NTSC、DVB-T、SECAM、DVB-C 、ISDB-T、ATSC)， 而且TDA18274 芯片自身可將中頻信號(hào)送至數(shù)字中頻解調(diào)器TDA8296,從而完成模擬電視解調(diào)，并輸出CVBS 模擬電視信號(hào)，同時(shí)它把中頻信號(hào)也送到信道解碼器TDA10048,解出數(shù)字電視TS 流。這部分電路框圖如圖2 所示。

2.6 一體機(jī)的觸摸屏與液晶屏選取

觸摸屏(touch screen)又稱為觸控面板 、觸控屏。當(dāng)人接觸屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺信號(hào)通過觸摸屏控制板轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送入CPU 芯片，經(jīng)CPU 處理，傳送到各種外設(shè)顯示，從而完成人機(jī)交互。用觸屏的動(dòng)作取代傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標(biāo)輸入，并借助液晶來顯示畫面，它是構(gòu)建物聯(lián)終端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的最流行的傳感技術(shù)。觸摸屏分為電阻式、電容式與壓電式等。因?yàn)閴弘娛接|摸屏同時(shí)具有電容屏幕的多點(diǎn)觸摸觸感和電阻屏的精準(zhǔn)穩(wěn)定，有別于電容屏的是，即使戴著手套或是沾水手指仍能進(jìn)行操作，所以我們選用壓電式觸摸屏。

液晶屏幕(包括LCD 顯示器和LED 顯示器)是以電流刺激液晶分子的方式產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面的。

和傳統(tǒng)的CRT 顯示器相比，它體積較大，畫面柔和，畫面不會(huì)閃爍，可以降低眼睛的疲勞，本設(shè)計(jì)選用LED 屏。

3 軟件系統(tǒng)選用

本方案中操作系統(tǒng)選用ANDROID4.X 系統(tǒng)，因?yàn)榇瞬僮飨到y(tǒng)能很好地支持觸摸輸入功能，而且此系統(tǒng)支持的應(yīng)用軟件豐富，目前市場上的應(yīng)用軟件幾乎不用任何修改都可以應(yīng)用于這個(gè)平臺(tái)上。與現(xiàn)在市場上流行的一體機(jī)相比，本方案僅用一塊PC 主板即可實(shí)現(xiàn)觸摸功能的電腦電視一體機(jī)，既節(jié)約了成本，也簡化了安裝。由于采用ANDROID 系統(tǒng)，相比基于傳統(tǒng)WIN8 平臺(tái)的一體機(jī)，既大大節(jié)約了存儲(chǔ)空間和成本，也解決了目前市場觸摸一體機(jī)的啟動(dòng)速度慢、體積龐大、安裝復(fù)雜、板線過多等問題。同時(shí)，它作為電視也改變了現(xiàn)在市面智能云電視網(wǎng)絡(luò)功能弱、運(yùn)行速度慢、多塊板組合復(fù)雜、使用不方便的毛病。隨著CPU 速度提升，北南橋芯片的簡化，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間變短，這些制約傳統(tǒng)PC 機(jī)目前不能在家電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸問題將得到徹底解決，即與PC 主板集成觸摸功能的電視功能一體機(jī)將成為未來數(shù)字家庭的必備首選。隨著觸摸屏輸入取代鍵盤鼠標(biāo)，語音輸入成熟，用戶操作使用降低功耗，對于傳感器的響應(yīng)多采用中斷觸發(fā)的方式。

3.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)中，采用Python 設(shè)計(jì)上位機(jī)，負(fù)責(zé)通過TCP 協(xié)議同嵌入式控制終端進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并且當(dāng)有學(xué)生驗(yàn)證信息傳來時(shí)，可以檢索數(shù)據(jù)庫進(jìn)行核對。

數(shù)據(jù)庫采用Mysql,存放來自于無線傳感網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息以及學(xué)生的驗(yàn)證信息，并且可以進(jìn)行成績和使用時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。采用可以跨平臺(tái)的服務(wù)器端腳本技術(shù)PHP 創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，PHP 跟Mysql 之間的結(jié)合相當(dāng)好，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。

圖3 所示是服務(wù)器端的監(jiān)控頁面圖。

圖3 服務(wù)器端的監(jiān)控頁面圖

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)目前還處于起步階段，發(fā)展和完善還需要不少的時(shí)間，但是必將成為一種新的趨勢，為人們的工作和生活帶來極大的便利。本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控系統(tǒng)，通過將網(wǎng)頁服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫架構(gòu)在通用服務(wù)器上減輕了下層的工作量，提升了速度和性能，同時(shí)能夠加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。