嵌入式多媒体综合控制系统的研制

[摘 要] 随着教育信息技术的深入发展，各院校纷纷筹建多媒体网络教学环境，为此我们研制开发符合教育需求的嵌入式综合控制系统。本文首先就多媒体综合控制系统的原理做了较为详细的论述，然后着重阐述了以Motorola单片机为核心的系统集成的关键技术，诸如红外遥控码接收、分析与发射、存储器扩展、以及视音频矩阵切换等。
[关键字] 多媒体、Motorola单片机、红外遥控、矩阵切换

1 引言
以多媒体和国际互联网为代表的信息技术正在以惊人的速度改变着人类生存方式。同时，对传统的教育模式也带来了很大的冲击。信息技术使教育传播媒体已不再仅限于书本中的单一文字，还有融文字、声音、图形、动画、影像为一体的电子教科书、多媒体软件以及网上传输的影视节目、卫星节目和虚拟现实的学习环境等等。多媒体综合教室是将计算机及网络技术应用到教学领域形成的，将图像、声音、文字、动画等媒体融合起来，为学生提供丰富生动教学素材，达到寓教于乐效果的新型教室。

随着＂后PC时代"的概念提出，嵌入式系统已经不再局限于工业现场总线控制领域，而以其特有的优势被广泛的应用到各个领域。而我们所开发的系统也正是以单片机为核心的多媒体综合控制系统

2 多媒体综合控制系统的原理与关键技术
多媒体综合控制系统要将录像机、影碟机、多媒体计算机、实物展示台、投影机等先进的视听设备以及其它环境设备有机地连接起来，由教师根据教学需要来有选择的播放多媒体课件和调节环境。

系统要对多中播放媒体进行选择播放并控制播放设备。如图 1所示，MPU（主处理器）部分学习、记忆设备的遥控码，并回控设备；对计算机VGA增强驱动，分路输出；对录像机、影碟机等模拟视音频按键盘扫描有选择的切换；对电动窗帘、屏幕、灯光等的控制。

系统选用了内部自带Flash Memory 的高性能微处理器--Motorola MC68HC08GP32作为中央控制器，由它实时监控系统，进行容错处理，实现红外信号读取、判别和存储以及输出红外遥控信号，完成视、音频矩阵开关切换控制。



图 1 多媒体综合控制系统原理图

2.1 红外遥控解调
红外遥控发射与接收是本系统的核心。红外遥控发射器是一种脉冲编码调制器，它在发射遥控指令时把二进制数调制成一系列的脉冲串信号（载波信号）后发射出去，常用的调制方法有脉冲宽度调制（PWM）和脉冲位置调制（PPM）两种．红外遥控信号处理过程如图2所示，信号经遥控发射器发送，由遥控受光前置放大器接收，解调（解码）、放大后为脉冲输出，最后送入微处理器进行译码、存码，并回控设备。


图 2 红外遥控接受发射基本原理

红外遥控信号接收器把接收到的红外信号先经光电二极管解调，把光信号转换成电信号，然后通过继承电路再对38KHZ调制进行解调，恢复为带有一定功能指令码的红外信号。并对此信号加以放大、整形和解调而输出功能指令码。红外遥控信号接收器最常用的集成电路是CX20106A，如图 3所示。它由前置放大、自动偏压控制、振幅放大、峰值检波和整形电路组成。其中，R1为前置放大器负反馈电阻；改变它大小，可以调放大器增益；R2为检波器中心频率调节电阻；R3为输出端负载电阻；C2为检波电容；C3为积分电容；Vp为光敏二极管，也可用光敏三极管。


图 3 CX20106A原理图

2.2 红外遥控编码
目前，各国电器生产厂家对遥控脉冲编码及码流还没有统一的标准。其中最为常用的是PWM码(脉冲宽度调制码)和PPM码(脉冲位置调制码)。前者以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。后者脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。大多数都采用图中所示的方法表示"0"和"1"。其中 tw一定，tp0≠tp1。如图 4所示。


图 5 遥控码码流结构分析


图 6 单片机接收到的码流

如图 6所示，若要将这串脉冲如实的记录下来，只须将每一个脉冲的宽度tw，以及脉冲之间的距离td记录下来，故可用一组（tw，td）来表示一个脉冲信息，并称之为一个信息位，用T来表示，每一个T包括tw，td两部分，这样，就可以用一个二维数组T（tw，td）来表示各个信息位，即可得到这样一组码表： T１、T２、T３……，称之为数据码表。

2.3 视音频矩阵切换
从图1可以看出，要实现对不同的信号输入源的选择播放，就需要视/音频矩阵切换电路来完成对多路输入信号的选择播放。MT8816是8＊16模拟开关矩阵。它由7～128线地址译码器、128位控制数据锁存器和8*16模拟开关阵列组成。它的电路原理如图7所示，图中用PA0~PA6 作为MT8816的行地址和列地址控制线，PB0～PB3分别作为选通脉冲ST、数据输入DI、片选信号CS的复位信号RESET。ROWo～ROW15 作为输入，COLo～COL7作为输出。即16路输入，8路输出。


图7 视频矩阵切换原理图

在实际控制中，由单片机先置CS为高电平，写入行、列地址，然后置ST为高电平，将地址输入，最后再将ST置为低电平，利用ST的下降沿将数据DI写入锁存单元，以控制所选交差点开关的通断。若DI为高电平，则相应开关导通；若DI为低电平则开关截止。当数据DI写入锁存器时，仅与相对应地址开关有关，与其它开关无关，这可实现输入到输出的任意连接。复位信号输入RESET若为高电平，不管片选CS处于何电平，均将全部开关置于截止状态。

2.4 VGA矩阵切换
VGA标准同以往的CGA、EGA等标准都不一样，它采用数模转换技术，输出模拟视频信号，因此同TTL数字信号比，其彩帧显示能力大大增强，原则上可显示无穷多的颜色，是后来所有显示技术的发展基础。VGA标准采用15针头D型插头。VGA有红、绿、蓝三种基色和行、场两个同步信号。它的最高分辨率为 640*480，行频为31HZ，场频为60HZ或70HZ。它可以兼容CGA、EGA显示标准。为了兼容CGA卡的200线的显示方式，采用了两次扫描的技术，即对200线中的每一线都显示为相邻的两行，两行的内容一样。

MAX465是由美国MAXIM公司生产的模拟开关，它提供了二组（3）输入．一组（3）输出，也就是说有六路输入和三路输出。它具有2倍的电压增益输出，并且能在带宽为90Mhz内可以获得稳定的2倍电压增益。

在本系统中，主要是对VGA的三基色和行、场信号进行处理。可以采用两片MAX465级连控制即可。

2.5 智能处理器
Motorola系列的单片机是目前世界上销量最高的8位单片机之一。由于其价格低廉，系列品种多等诸多优点，因此在家用电器、仪器仪表、移动通信和简易的控制系统等方面得到了极其广泛的应用。

MC68HC08GP32继承HC05编程模式，内有512字节RAM，32,256字节Flash Memory。片内I/O功能较强，除有常见的并行I/O外，还有串行I/O、输入捕捉、PWM（Pulse-Width Modulation）输出和实时时钟RTC等功能。有一个多功能的16位定时器/计数器，具有输入捕捉和输出比较功能，并自带Watchdog 监控功能。

2.5.1外部EEPROM扩展

系统在读码、析码之后，需要对数据码进行不可遗失性存储。这就需要外扩EEPROM。鉴于对键盘实时扫描已占用了单片机大量的端口，因此选用24C32A 这一基于I2C的4K*8两线串行读/写EEPROM，它具有较强的总线扩展功能，可以扩展到8片。如图7所示，系统使用两片EEPROM。

同时，由于设备遥控码的长度并不一定，而且差异很大。因此，为了不浪费存储空间，对遥控码的存储采用动态分配存储空间的方式。即系统在每块存储器起始位置留出特定的存储空间用来存放本片内各个遥控码的起始位置信息。


图7 EEPROM扩展

在对存储器的读写控制中，由单片机提供时钟信号（SCL），控制总线的读/写。如图8所示，一个读写周期一般包括写控制字节选择存储器、送高8位地址字节、送低8位地址字节，读/写数据。对存储器的读/写要以应答方式进行。


图8 24C32读/写控制

2.5.2输入捕捉与输出比较
在本系统中需要将被解调后的信号记录下来，该信号解调后频率教低，在100HZ以内，一般都是利用单片机的计数器按一定的计数周期对高、低电平的时间长度进行计数，保存了这些数据就等于记录了完整的信号。

MC68HC08GP32微控制器器有一个特殊的功能模块，即输入捕捉。该模块用来监测外
部的事件和输入信号。当外部事件发生或信号发生变化时，在指定的输入捕捉引脚上发生一个指定的沿跳变（可以指定该跳变是上升还是下降沿）。定时器捕捉到特定的沿跳变后，把自由运行计数器当前的值锁存到输入捕捉寄存器。如果在输入捕捉控制寄存器中设定允许输入捕捉中断，系统回产生一次输入捕捉中断，利用中断处理软件可以得到事件发生的时刻或信号发生变化的时刻。


图9 输入捕捉原理 　　　　　　　　　　　图10 输出比较原理

输入捕捉模块的原理如图9所示。通过记录输入信号的连续的沿跳变，就可以算出输入信号的周期和脉宽。在本系统中用该模块来实现对解调后的红外遥控信号的读取。

在对保存的信号输出时，还需要将它调制在38KHZ的载波上。此38KHZ的载波可由硬件产生也可由软件产生。在本系统中选择使用软件方式。

与输入捕捉模块相对应，MC68HC08GP32还有一个输出比较功能模块。用它可以得到非常精确的输出时间间隔。如图10所示，该模块用来在规定的时刻输出需要的电平。16位自由运行计数器的值每递增一次，就和输出比较寄存器的值比较一次。当两个值等的时候，输出比较模块置位定时器通道的状态和控制寄存器，并且在该通道的引脚上岗输出预先规定的电平。这样，通过修改输出比较寄存器的值，就可以输出不同频率的波形。我们利用该模块来精确输出带载波的遥控信号。

2.5.3系统软件设计
系统软件主要依照键盘扫描到的内容，分别完成三方面的工作，其一是红外遥控信号的读取与存储，其二是红外遥控信号的发射。其三是对外围器件的控制，实现视/音频矩阵切换与环境控制。具体流程见图11。


图11 系统软件流程图

3 结束语
近20年来，以单片机为核心的智能控制系统已迅速渗透到各个领域。使用单片机作为多媒体综合控制器不仅可以优化系统，替代大规模逻辑控制模块，而且使系统更加稳定。性价比大大提高。

对红外信号进行解调读码、以及调制发射是系统的核心所在，而编码分析则是系统的关键，其编码方式使得开发者一度困惑，不同厂家、不同设备采用的遥控编码方式大相径庭，而且还会出现不同设备功能遥控码相同。这对于系统设备的集成、融合大为不利，因此提议有建立一个统一的编码协议。这不仅有助于厂家产品市场扩展，而且便于使用者操作。