嵌入式多媒體綜合控制系統的研制

[摘 要] 隨著(zhù)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(kāi)發(fā)符合教育需求的嵌入式綜合控制系統。本文首先就多媒體綜合控制系統的原理做了較為詳細的論述，然后著(zhù)重闡述了以Motorola單片機為核心的系統集成的關(guān)鍵技術(shù)，諸如紅外遙控碼接收、分析與發(fā)射、存儲器擴展、以及視音頻矩陣切換等。
[關(guān)鍵字] 多媒體、Motorola單片機、紅外遙控、矩陣切換

1 引言
以多媒體和國際互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息技術(shù)正在以驚人的速度改變著(zhù)人類(lèi)生存方式。同時(shí)，對傳統的教育模式也帶來(lái)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(shū)本中的單一文字，還有融文字、聲音、圖形、動(dòng)畫(huà)、影像為一體的電子教科書(shū)、多媒體軟件以及網(wǎng)上傳輸的影視節目、衛星節目和虛擬現實(shí)的學(xué)習環(huán)境等等。多媒體綜合教室是將計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到教學(xué)領(lǐng)域形成的，將圖像、聲音、文字、動(dòng)畫(huà)等媒體融合起來(lái)，為學(xué)生提供豐富生動(dòng)教學(xué)素材，達到寓教于樂(lè )效果的新型教室。

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

2 多媒體綜合控制系統的原理與關(guān)鍵技術(shù)
多媒體綜合控制系統要將錄像機、影碟機、多媒體計算機、實(shí)物展示臺、投影機等先進(jìn)的視聽(tīng)設備以及其它環(huán)境設備有機地連接起來(lái)，由教師根據教學(xué)需要來(lái)有選擇的播放多媒體課件和調節環(huán)境。

系統要對多中播放媒體進(jìn)行選擇播放并控制播放設備。如圖 1所示，MPU（主處理器）部分學(xué)習、記憶設備的遙控碼，并回控設備；對計算機VGA增強驅動(dòng)，分路輸出；對錄像機、影碟機等模擬視音頻按鍵盤(pán)掃描有選擇的切換；對電動(dòng)窗簾、屏幕、燈光等的控制。

系統選用了內部自帶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)監控系統，進(jìn)行容錯處理，實(shí)現紅外信號讀取、判別和存儲以及輸出紅外遙控信號，完成視、音頻矩陣開(kāi)關(guān)切換控制。



圖 1 多媒體綜合控制系統原理圖

2.1 紅外遙控解調
紅外遙控發(fā)射與接收是本系統的核心。紅外遙控發(fā)射器是一種脈沖編碼調制器，它在發(fā)射遙控指令時(shí)把二進(jìn)制數調制成一系列的脈沖串信號（載波信號）后發(fā)射出去，常用的調制方法有脈沖寬度調制（PWM）和脈沖位置調制（PPM）兩種．紅外遙控信號處理過(guò)程如圖2所示，信號經(jīng)遙控發(fā)射器發(fā)送，由遙控受光前置放大器接收，解調（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，并回控設備。


圖 2 紅外遙控接受發(fā)射基本原理

紅外遙控信號接收器把接收到的紅外信號先經(jīng)光電二極管解調，把光信號轉換成電信號，然后通過(guò)繼承電路再對38KHZ調制進(jìn)行解調，恢復為帶有一定功能指令碼的紅外信號。并對此信號加以放大、整形和解調而輸出功能指令碼。紅外遙控信號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為前置放大器負反饋電阻；改變它大小，可以調放大器增益；R2為檢波器中心頻率調節電阻；R3為輸出端負載電阻；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，各國電器生產(chǎn)廠(chǎng)家對遙控脈沖編碼及碼流還沒(méi)有統一的標準。其中最為常用的是PWM碼(脈沖寬度調制碼)和PPM碼(脈沖位置調制碼)。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 遙控碼碼流結構分析


圖 6 單片機接收到的碼流

如圖 6所示，若要將這串脈沖如實(shí)的記錄下來(lái)，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(lái)，故可用一組（tw，td）來(lái)表示一個(gè)脈沖信息，并稱(chēng)之為一個(gè)信息位，用T來(lái)表示，每一個(gè)T包括tw，td兩部分，這樣，就可以用一個(gè)二維數組T（tw，td）來(lái)表示各個(gè)信息位，即可得到這樣一組碼表： T１、T２、T３……，稱(chēng)之為數據碼表。

2.3 視音頻矩陣切換
從圖1可以看出，要實(shí)現對不同的信號輸入源的選擇播放，就需要視/音頻矩陣切換電路來(lái)完成對多路輸入信號的選擇播放。MT8816是8＊16模擬開(kāi)關(guān)矩陣。它由7～128線(xiàn)地址譯碼器、128位控制數據鎖存器和8*16模擬開(kāi)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(xiàn)，PB0～PB3分別作為選通脈沖ST、數據輸入DI、片選信號CS的復位信號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，由單片機先置CS為高電平，寫(xiě)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的下降沿將數據DI寫(xiě)入鎖存單元，以控制所選交差點(diǎn)開(kāi)關(guān)的通斷。若DI為高電平，則相應開(kāi)關(guān)導通；若DI為低電平則開(kāi)關(guān)截止。當數據DI寫(xiě)入鎖存器時(shí)，僅與相對應地址開(kāi)關(guān)有關(guān)，與其它開(kāi)關(guān)無(wú)關(guān)，這可實(shí)現輸入到輸出的任意連接。復位信號輸入RESET若為高電平，不管片選CS處于何電平，均將全部開(kāi)關(guān)置于截止狀態(tài)。

2.4 VGA矩陣切換
VGA標準同以往的CGA、EGA等標準都不一樣，它采用數模轉換技術(shù)，輸出模擬視頻信號，因此同TTL數字信號比，其彩幀顯示能力大大增強，原則上可顯示無(wú)窮多的顏色，是后來(lái)所有顯示技術(shù)的發(fā)展基礎。VGA標準采用15針頭D型插頭。VGA有紅、綠、藍三種基色和行、場(chǎng)兩個(gè)同步信號。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顯示標準。為了兼容CGA卡的200線(xiàn)的顯示方式，采用了兩次掃描的技術(shù)，即對200線(xiàn)中的每一線(xiàn)都顯示為相鄰的兩行，兩行的內容一樣。

MAX465是由美國MAXIM公司生產(chǎn)的模擬開(kāi)關(guān)，它提供了二組（3）輸入．一組（3）輸出，也就是說(shuō)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內可以獲得穩定的2倍電壓增益。

在本系統中，主要是對VGA的三基色和行、場(chǎng)信號進(jìn)行處理?？梢圆捎脙善琈AX465級連控制即可。

2.5 智能處理器
Motorola系列的單片機是目前世界上銷(xiāo)量最高的8位單片機之一。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)易的控制系統等方面得到了極其廣泛的應用。

MC68HC08GP32繼承HC05編程模式，內有512字節RAM，32,256字節Flash Memory。片內I/O功能較強，除有常見(jiàn)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/計數器，具有輸入捕捉和輸出比較功能，并自帶Watchdog 監控功能。

2.5.1外部EEPROM擴展

系統在讀碼、析碼之后，需要對數據碼進(jìn)行不可遺失性存儲。這就需要外擴EEPROM。鑒于對鍵盤(pán)實(shí)時(shí)掃描已占用了單片機大量的端口，因此選用24C32A 這一基于I2C的4K*8兩線(xiàn)串行讀/寫(xiě)EEPROM，它具有較強的總線(xiàn)擴展功能，可以擴展到8片。如圖7所示，系統使用兩片EEPROM。

同時(shí)，由于設備遙控碼的長(cháng)度并不一定，而且差異很大。因此，為了不浪費存儲空間，對遙控碼的存儲采用動(dòng)態(tài)分配存儲空間的方式。即系統在每塊存儲器起始位置留出特定的存儲空間用來(lái)存放本片內各個(gè)遙控碼的起始位置信息。


圖7 EEPROM擴展

在對存儲器的讀寫(xiě)控制中，由單片機提供時(shí)鐘信號（SCL），控制總線(xiàn)的讀/寫(xiě)。如圖8所示，一個(gè)讀寫(xiě)周期一般包括寫(xiě)控制字節選擇存儲器、送高8位地址字節、送低8位地址字節，讀/寫(xiě)數據。對存儲器的讀/寫(xiě)要以應答方式進(jìn)行。


圖8 24C32讀/寫(xiě)控制

2.5.2輸入捕捉與輸出比較
在本系統中需要將被解調后的信號記錄下來(lái)，該信號解調后頻率教低，在100HZ以?xún)?，一般都是利用單片機的計數器按一定的計數周期對高、低電平的時(shí)間長(cháng)度進(jìn)行計數，保存了這些數據就等于記錄了完整的信號。

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(lái)監測外
部的事件和輸入信號。當外部事件發(fā)生或信號發(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，把自由運行計數器當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定允許輸入捕捉中斷，系統回產(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(guò)記錄輸入信號的連續的沿跳變，就可以算出輸入信號的周期和脈寬。在本系統中用該模塊來(lái)實(shí)現對解調后的紅外遙控信號的讀取。

在對保存的信號輸出時(shí)，還需要將它調制在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。在本系統中選擇使用軟件方式。

與輸入捕捉模塊相對應，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(lái)在規定的時(shí)刻輸出需要的電平。16位自由運行計數器的值每遞增一次，就和輸出比較寄存器的值比較一次。當兩個(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先規定的電平。這樣，通過(guò)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(lái)精確輸出帶載波的遙控信號。

2.5.3系統軟件設計
系統軟件主要依照鍵盤(pán)掃描到的內容，分別完成三方面的工作，其一是紅外遙控信號的讀取與存儲，其二是紅外遙控信號的發(fā)射。其三是對外圍器件的控制，實(shí)現視/音頻矩陣切換與環(huán)境控制。具體流程見(jiàn)圖11。


圖11 系統軟件流程圖

3 結束語(yǔ)
近20年來(lái)，以單片機為核心的智能控制系統已迅速滲透到各個(gè)領(lǐng)域。使用單片機作為多媒體綜合控制器不僅可以?xún)?yōu)化系統，替代大規模邏輯控制模塊，而且使系統更加穩定。性?xún)r(jià)比大大提高。

對紅外信號進(jìn)行解調讀碼、以及調制發(fā)射是系統的核心所在，而編碼分析則是系統的關(guān)鍵，其編碼方式使得開(kāi)發(fā)者一度困惑，不同廠(chǎng)家、不同設備采用的遙控編碼方式大相徑庭，而且還會(huì )出現不同設備功能遙控碼相同。這對于系統設備的集成、融合大為不利，因此提議有建立一個(gè)統一的編碼協(xié)議。這不僅有助于廠(chǎng)家產(chǎn)品市場(chǎng)擴展，而且便于使用者操作。