基于單片機和模塊化技術(shù)實現(xiàn)多媒體教室控制系統(tǒng)的設計

作者：余剛，馮林，吳振宇，孫志偉

1 總體設計

傳統(tǒng)的課堂教學模式是教師采用口授的方法，使用黑板、粉筆；學生面對的是老師、教材和黑板。這種教學形式單一，教學效果很大程度上取決于老師的個人才華和學生的學習興趣。隨著時代的進步，各種器材被應用在教學中？如無線話筒、投影儀、幻燈機等，提高了教學效果；同時大量教學錄像片紛紛涌現(xiàn)，使教育飛躍了時空的限制。計算機技術(shù)的長足進步、多媒體視頻系統(tǒng)的大量開發(fā)生產(chǎn)，為現(xiàn)代教育媒體提供了一個新的傳遞工具。本多媒體教室控制系統(tǒng)就是這方面的典型應用之一，它具有如下顯著特點：

（1）繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)電化教室的各種功能

在設計之前，參閱了大量的其它同類產(chǎn)品，對它們的各項功能進行了綜合分析，并結(jié)合教學的實際要求著手開發(fā)和研制各種功能，力求教學中的各種功能逐一不漏地實現(xiàn)，同時也滿足教師在教學中新的要求。教室不僅可以用于多媒體計算機教學，還可以用于錄像教學、外語教學、學術(shù)報告等。

（2）模塊化的設計和中央控制系統(tǒng)使產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、易于擴展

在通信和控制上使用單片機，使控制電路一改傳統(tǒng)的方法，使電路更加簡潔明了，性能上也更加穩(wěn)定可靠。各模塊合理分工，獨立工作，組合起來成為一個整體，便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試，一旦出了問題也不會殃及其他模塊，提高了可靠性，而且便于系統(tǒng)的擴展和升級。

（3）利用計算機對設備、窗簾、燈光等輔助設施進行控制，配套的圖形界面軟件使操作直觀、方便、簡單。

教師對學生的控制信號是通過計算機來傳達的，計算機屏幕上使用WINDOWS操作平臺的圖形界面，形象地顯示各種設備的狀態(tài)，教師只需要按動鼠標就可以進行控制，十分直觀、方便、簡單。

2 模塊結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用模塊化設計，由中央控制及串行接口卡、視頻切換卡、音頻切換卡、學習型遙控器、功率控制模塊和上位機控制軟件等六部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 中央控制及串行接口

單片機通過串行總線與上位計算機進行串行通訊，接收從計算機發(fā)出的控制指令，對中央控制系統(tǒng)內(nèi)的視頻切換、音頻切換、功率控制等模塊發(fā)出控制信號，處理這些模塊返回的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控各模塊的狀態(tài)，與上位計算機完成數(shù)據(jù)指令的交換。

中央控制部分電路原理圖如圖2所示，采用AT89C51單片機作為整個主從式多機通訊系統(tǒng)中的一個從機，通過MAX485連接在串行總線上。AT89C51的P0口用作音頻、視頻切換控制，其輸出信號經(jīng)過鎖存器74HC373鎖存？再經(jīng)光耦TLP521-4進行隔離后輸出到音頻、視頻切換卡；74HC373的輸出同時送到單片機的P2.0~P2.5口，用于實時檢測切換狀態(tài)是否正確；P2.6、P2.7為電子音量電位器的控制輸出，經(jīng)光耦隔離后控制電子音量，電位器X9241控制系統(tǒng)總音量；P1.0~P1.2是手控面板接口，手控面板是中央控制器外的一個附屬模塊，自帶鍵盤掃描和顯示驅(qū)動器，手控面板可以在脫離主控計算機的情況下，操作中央控制器完成全部控制功能；P1口和P3口另有六路音頻、視頻切換狀態(tài)指示燈接口，用以指示當前的切換狀態(tài)；IMP813L為電源監(jiān)控及看門狗電路。

2.2 視頻切換卡

系統(tǒng)提供了四種信號源，即計算機、視頻展示臺、VCD、錄像機的視頻信號源；同時還提供了大屏幕投影、監(jiān)視器、錄像機等三種視頻輸出方式。視頻切換卡就是完成對四路視頻信號源的選擇切換和三路輸出的分配工作。

視頻切換選用八選一CMOS雙向模擬開關(guān)CD4051，該芯片工作于開關(guān)穩(wěn)定導通時，可傳輸?shù)男盘柹舷揞l率約為40MHz。這里傳輸?shù)钠胀ǚ直媛蕪秃先娨曅盘柕膸捵罡邽?MHz，該芯片可以滿足要求。視頻分配放大采用MAXIM公司的具有四路視頻緩沖器和同軸電纜驅(qū)動器的MAX470，它在增益為2V/V時，具有90MHz的可用增益帶寬和300V/μs的轉(zhuǎn)換速率，應用電路簡單、穩(wěn)定可靠。

2.3 音頻切換卡

音頻切換卡提供了八路音頻輸入，經(jīng)過輸入網(wǎng)絡、切換、緩沖放大后分三路輸出。音頻切換采用兩片CD4051分別做左右聲道的切換，通過單片機的控制信號進行輸入選擇。緩沖放大電路選用集成運放NE5532，與話筒放大信號疊加后輸出。音頻切換及話筒混合放大電路原理圖如圖3所示。

2.4 學習型遙控器

投影機、錄像機、DVD、功放等各種音視頻設備都采用了遙控，但每個設備帶一個遙控器，使用起來相當麻煩，這里的學習型遙控器就是為了在中央控制系統(tǒng)中統(tǒng)一完成對所有設備的遙控功能。學習型遙控器通常有兩種實現(xiàn)方法，一是預先在遙控器內(nèi)存儲大量的各種型號的遙控碼，有的還能夠在線下載，使用時需要知道原遙控器的型號，學習型遙控器就可以發(fā)出和原遙控器相同的遙控碼；二是主動學習遙控器的遙控碼，將碼存儲在內(nèi)部E2PROM里，發(fā)碼時將學習到的遙控碼按相同的格式和碼形發(fā)出。我們采用第二種方案。

紅外遙控器發(fā)射的紅外編碼是用經(jīng)過數(shù)字調(diào)制的數(shù)字脈沖去調(diào)制固定頻率的載波電流的通斷，產(chǎn)生已調(diào)載波，然后用這個已調(diào)載波推動紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線。

單片機讀遙控碼可以采用查詢方式或中斷方式，盡管不同的遙控器有脈沖寬度調(diào)制？PWM、脈沖位置調(diào)制？PPM、脈寬－脈位調(diào)制？PWM-PPM等不同的調(diào)制方式，有不同的起始位、停止位和連發(fā)的編碼方式，但只要將接收到的碼形原封不動地存儲下來，就能夠發(fā)出和原碼相同的遙控碼。

遙控碼存儲在E2PROM中，發(fā)送時利用單片機的定時器產(chǎn)生38K左右的載波，輸出的遙控碼通過與門對載波進行ASK調(diào)制，利用三極管驅(qū)動紅外發(fā)射管即可完成學習型遙控器的發(fā)射。

2.5 功率控制模塊

功率控制模塊是中央控制器的一個外圍可選模塊，該模塊安裝不同的外圍器件可以實現(xiàn)電源控制、燈光控制、幕簾窗簾控制等不同的功能，以輔助控制室內(nèi)的光線、通風狀況。

功率控制模塊也是通過RS-485總線與計算機進行串行通訊。由一片AT89C51單片機來接收計算機發(fā)出的控制指令，控制雙向可控硅的導通和截止，用相同的電路通過外接繼電器、電機等不同的負載可以方便地控制日光燈、窗簾等不同的設備。每一個模塊有一個獨立的地址，可以根據(jù)實際需要進行擴充。

2.6 上位機控制軟件

上位機控制軟件由delphi編寫，程序分為用戶界面層和通訊層。

用戶界面層提供形象的動態(tài)圖形用戶界面，美觀生動，方便直觀，用鼠標操作，能達到所見即所得的效果，程序通過對通訊層的調(diào)用，實現(xiàn)對音視頻的切換、音量調(diào)節(jié)、設備遙控、燈光、幕簾窗簾的控制、電子黑板等所有功能。

通訊層由一個delphi下的串行通訊控件組成。它是整個通訊過程的核心部分，由用戶界面層來調(diào)用，完成與下位機的串行通訊，按照預先規(guī)定好的通訊協(xié)議，發(fā)出控制指令，接收和監(jiān)控下位機返回的狀態(tài)，并反饋給用戶界面層，將用戶操作的結(jié)果實時反映在界面上。

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