嵌入式多媒體綜合控制系統(tǒng)的研制

[摘 要] 隨著教育信息技術的深入發(fā)展，各院校紛紛籌建多媒體網(wǎng)絡教學環(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的論述，然后著重闡述了以Motorola單片機為核心的系統(tǒng)集成的關鍵技術，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)為代表的信息技術正在以驚人的速度改變著人類生存方式。同時，對傳統(tǒng)的教育模式也帶來了很大的沖擊。信息技術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)實的學習環(huán)境等等。多媒體綜合教室是將計算機及網(wǎng)絡技術應用到教學領域形成的，將圖像、聲音、文字、動畫等媒體融合起來，為學生提供豐富生動教學素材，達到寓教于樂效果的新型教室。

隨著＂后PC時代"的概念提出，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于工業(yè)現(xiàn)場總線控制領域，而以其特有的優(yōu)勢被廣泛的應用到各個領域。而我們所開發(fā)的系統(tǒng)也正是以單片機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)的原理與關鍵技術
多媒體綜合控制系統(tǒng)要將錄像機、影碟機、多媒體計算機、實物展示臺、投影機等先進的視聽設備以及其它環(huán)境設備有機地連接起來，由教師根據(jù)教學需要來有選擇的播放多媒體課件和調節(jié)環(huán)境。

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

系統(tǒng)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，由它實時監(jiān)控系統(tǒng)，進行容錯處理，實現(xiàn)紅外信號讀取、判別和存儲以及輸出紅外遙控信號，完成視、音頻矩陣開關切換控制。



圖 1 多媒體綜合控制系統(tǒng)原理圖

2.1 紅外遙控解調
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制器，它在發(fā)射遙控指令時把二進制數(shù)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，然后通過繼承電路再對38KHZ調制進行解調，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(jié)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)廠家對遙控脈沖編碼及碼流還沒有統(tǒng)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(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的記錄下來，只須將每一個脈沖的寬度tw，以及脈沖之間的距離td記錄下來，故可用一組（tw，td）來表示一個脈沖信息，并稱之為一個信息位，用T來表示，每一個T包括tw，td兩部分，這樣，就可以用一個二維數(shù)組T（tw，td）來表示各個信息位，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，要實現(xiàn)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完成對多路輸入信號的選擇播放。MT8816是8＊16模擬開關矩陣。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

在實際控制中，由單片機先置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，以控制所選交差點開關的通斷。若DI為高電平，則相應開關導通；若DI為低電平則開關截止。當數(shù)據(jù)DI寫入鎖存器時，僅與相對應地址開關有關，與其它開關無關，這可實現(xiàn)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，均將全部開關置于截止狀態(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(shù)模轉換技術，輸出模擬視頻信號，因此同TTL數(shù)字信號比，其彩幀顯示能力大大增強，原則上可顯示無窮多的顏色，是后來所有顯示技術的發(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、場兩個同步信號。它的最高分辨率為 640*480，行頻為31HZ，場頻為60HZ或70HZ。它可以兼容CGA、EGA顯示標準。為了兼容CGA卡的200線的顯示方式，采用了兩次掃描的技術，即對200線中的每一線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)的模擬開關，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內可以獲得穩(wěn)定的2倍電壓增益。

在本系統(tǒng)中，主要是對VGA的三基色和行、場信號進行處理。可以采用兩片MAX465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量最高的8位單片機之一。由于其價格低廉，系列品種多等諸多優(yōu)點，因此在家用電器、儀器儀表、移動通信和簡易的控制系統(tǒng)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(jié)RAM，32,256字節(jié)Flash Memory。片內I/O功能較強，除有常見的并行I/O外，還有串行I/O、輸入捕捉、PWM（Pulse-Width Modulation）輸出和實時時鐘RTC等功能。有一個多功能的16位定時器/計數(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擴展

系統(tǒng)在讀碼、析碼之后，需要對數(shù)據(jù)碼進行不可遺失性存儲。這就需要外擴EEPROM。鑒于對鍵盤實時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*8兩線串行讀/寫EEPROM，它具有較強的總線擴展功能，可以擴展到8片。如圖7所示，系統(tǒng)使用兩片EEPROM。

同時，由于設備遙控碼的長度并不一定，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態(tài)分配存儲空間的方式。即系統(tǒng)在每塊存儲器起始位置留出特定的存儲空間用來存放本片內各個遙控碼的起始位置信息。


圖7 EEPROM擴展

在對存儲器的讀寫控制中，由單片機提供時鐘信號（SCL），控制總線的讀/寫。如圖8所示，一個讀寫周期一般包括寫控制字節(jié)選擇存儲器、送高8位地址字節(jié)、送低8位地址字節(jié)，讀/寫數(shù)據(jù)。對存儲器的讀/寫要以應答方式進行。


圖8 24C32讀/寫控制

2.5.2輸入捕捉與輸出比較
在本系統(tǒng)中需要將被解調后的信號記錄下來，該信號解調后頻率教低，在100HZ以內，一般都是利用單片機的計數(shù)器按一定的計數(shù)周期對高、低電平的時間長度進行計數(shù)，保存了這些數(shù)據(jù)就等于記錄了完整的信號。

MC68HC08GP32微控制器器有一個特殊的功能模塊，即輸入捕捉。該模塊用來監(jiān)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，在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個指定的沿跳變（可以指定該跳變是上升還是下降沿）。定時器捕捉到特定的沿跳變后，把自由運行計數(shù)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(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)生的時刻或信號發(fā)生變化的時刻。


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。通過記錄輸入信號的連續(xù)的沿跳變，就可以算出輸入信號的周期和脈寬。在本系統(tǒng)中用該模塊來實現(xiàn)對解調后的紅外遙控信號的讀取。

在對保存的信號輸出時，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(tǒng)中選擇使用軟件方式。

與輸入捕捉模塊相對應，MC68HC08GP32還有一個輸出比較功能模塊。用它可以得到非常精確的輸出時間間隔。如圖10所示，該模塊用來在規(guī)定的時刻輸出需要的電平。16位自由運行計數(shù)器的值每遞增一次，就和輸出比較寄存器的值比較一次。當兩個值等的時候，輸出比較模塊置位定時器通道的狀態(tài)和控制寄存器，并且在該通道的引腳上崗輸出預先規(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。

2.5.3系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要依照鍵盤掃描到的內容，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 結束語
近20年來，以單片機為核心的智能控制系統(tǒng)已迅速滲透到各個領域。使用單片機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。性價比大大提高。

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