基于ANDROID4.X的智能電視電腦一體機的設(shè)計方案

隨著智能數(shù)字云電視和個人PC進入每個家庭，觸摸屏輸入功能的設(shè)備也取代了傳統(tǒng)的鍵盤鼠標，而支持ANDROID4.X觸摸功能的智能電視電腦一體機也會作為新一代典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而進入千家萬戶。為此，本文提出了一種能夠支持ANDROID4.X觸摸功能的智能電視電腦一體機的設(shè)計方案，詳細介紹了觸摸屏電視電腦一體機的實現(xiàn)方法、系統(tǒng)硬件實現(xiàn)和軟件系統(tǒng)選用等。

0引言

當前市場上實現(xiàn)電視電腦一體機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的實現(xiàn)方法

本方案是在PC主板上增加模擬信號的接收和解碼，以及數(shù)字信號的接收和解碼電路，讓電視信號可以輸入PC主板，從而實現(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，最終實現(xiàn)帶觸摸功能的電視電腦一體機，并支持傳統(tǒng)的鍵盤鼠標輸入操作，同時也支持麥克風輸入與音箱輸出。圖1所示是帶有觸摸屏輸入功能的電視電腦一體機的電路框圖。

圖1 帶有觸摸屏輸入功能的電視電腦一體機電路框圖

首先，本系統(tǒng)在PC主板上增加模擬電路，用于實現(xiàn)模擬電視信號的接收。射頻模擬電視信號通過一體化調(diào)諧器(高頻頭)接收，解調(diào)后輸出視頻信號，再送給主板上的模擬解碼芯片。同時，AV輸入的模擬視頻信號或者S-VIDEO輸入的模擬視頻信號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經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后再經(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。

其次，在PC主板上增加數(shù)字電路，實現(xiàn)數(shù)字電視信號的接收。讓PC主板接收數(shù)字電視信號比接收模擬信號并完成信號調(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)字電視信號并完成信道解碼后輸出串行的TS流。由于數(shù)字電視信號通常是加密的信號，這時還需對TS流進行解密操作。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)芯片組動態(tài)降噪、去隔行處理、格式變換、圖像細節(jié)增強等處理操作后，標清和高清的電視信號被轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式(如1 920×1 080 P/60 Hz)的LVDS信號，并送給LCD顯示屏，完成電視信號的輸出，從而實現(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個內(nèi)帶的PS/2接口可以支持傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標輸入。

2系統(tǒng)硬件實現(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)域進軍家電領(lǐng)域，許多家電企業(yè)如海爾也努力進入IT領(lǐng)域，因此電腦電視觸摸屏的結(jié)合的一體機產(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)提供出色的計算性能。該系列屬于X86體系，可運行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高頻頭和標清信號的解碼電路，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，實現(xiàn)觸摸輸入取代傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標輸入。通過PC主板自帶的語音輸入輸出口完成語音的輸入輸出，實現(xiàn)標準的人機交流。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個高性能64位核心，為嵌入式電視電腦一體機提供低功耗、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運行速度更快。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，實現(xiàn)低功耗的多任務(wù)執(zhí)行、多媒體回放、高運算能力及互聯(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二級高速緩存及1 066 MHz V4總線等一系列性能。其低功耗設(shè)計在業(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)計功耗在無風扇配置下運行功率僅為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先進譯碼引擎，提供全球最快的AES加密，并實現(xiàn)了基于硬件的運行數(shù)據(jù)加密，是運行數(shù)據(jù)的內(nèi)容保護和系統(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。

2.3一體機的主板和芯片組選擇

威盛EPIA-M920 Mini-ITX主板基于業(yè)內(nèi)標準的Mini-ITX板型，尺寸為17 cm×17 cm.后面板I/O包括2個千兆以太網(wǎng)接口(可選)、2個USB 3.0接口、2個HDMI接口、1個VGA接口、1個COM接口、2個USB 2.0接口及音頻輸入、輸出插孔及麥克風插孔。板載排針包括2個LVDS、1個USB 3.0接口及額外的4個USB 2.0接口、2個SATA接口、3個RS232接口支持5 V/12 V電壓、數(shù)字I/O、LPC、1個SD卡(SDHC/SDXC)及1個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。[!--empirenews.page--]

2.4一體機模擬解碼芯片選擇

目前常用的模擬/數(shù)字信號解碼芯片都支持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，選擇一體機的解碼芯片時還必須考慮其適應(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組模擬信號輸入，輸入的多類模擬信號可以是CVBS全電視信號、YpbPr分量信號、S-Video亮色分離信號和RGB基色信號，具有標清模擬信號去鋸齒濾波器，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的高清信號輸入及SXGA的RGB信號輸入，可自動辨識電視系統(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)字色差編碼信號或者24位的RGB信號。

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)諧器從接收信號的制式上看，模擬信號調(diào)諧器可以做到全制式接收，數(shù)字信號調(diào)諧器的接收按地區(qū)分為DVB、ATSC、ISDB、DMB等。

同時，數(shù)字信號接收還因傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)不同，從而實現(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。 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)字電視標準(PAL、NTSC、DVB-T、SECAM、DVB-C、ISDB-T、ATSC)，而且TDA18274芯片自身可將中頻信號送至數(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，同時它把中頻信號也送到信道解碼器TDA10048，解出數(shù)字電視TS流。這部分電路框圖如圖2所示。

圖2 一體機電視信號接收電路框圖

2.6一體機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。當人接觸屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺信號通過觸摸屏控制板轉(zhuǎn)化為電信號，送入CPU芯片，經(jīng)CPU處理，傳送到各種外設(shè)顯示，從而完成人機交互。用觸屏的動作取代傳統(tǒng)的鍵盤與鼠標輸入，并借助液晶來顯示畫面，它是構(gòu)建物聯(lián)終端，實現(xiàn)人機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。因為壓電式觸摸屏同時具有電容屏幕的多點觸摸觸感和電阻屏的精準穩(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、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，畫面不會閃爍，可以降低眼睛的疲勞，本設(shè)計選用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)，因為此操作系統(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)用于這個平臺上。與現(xiàn)在市場上流行的一體機相比，本方案僅用一塊PC主板即可實現(xiàn)觸摸功能的電腦電視一體機，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平臺的一體機，既大大節(jié)約了存儲空間和成本，也解決了目前市場觸摸一體機的啟動速度慢、體積龐大、安裝復(fù)雜、板線過多等問題。同時，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)啟動時間變短，這些制約傳統(tǒng)PC機目前不能在家電領(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，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

服務(wù)器端的軟件設(shè)計中，采用Python設(shè)計上位機，負責通過TCP協(xié)議同嵌入式控制終端進行通信，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，并且當有學生驗證信息傳來時，可以檢索數(shù)據(jù)庫進行核對。

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)信息以及學生的驗證信息，并且可以進行成績和使用時間的統(tǒng)計。采用可以跨平臺的服務(wù)器端腳本技術(shù)PHP創(chuàng)建一個動態(tài)網(wǎng)頁，PHP跟Mysql之間的結(jié)合相當好，有利于整個系統(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)計方案實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能實驗室的監(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，同時能夠加強系統(tǒng)的安全性。