劉雯靜

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 北京　100048)

隨著校園網(wǎng)絡(luò)和多媒體教室的快速普及，學(xué)校的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化、網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程化已成為現(xiàn)代教學(xué)發(fā)展的主流趨勢(shì). 本設(shè)計(jì)“多媒體教學(xué)設(shè)備綜合控制系統(tǒng)”就是這樣一款普遍適用的現(xiàn)代多媒體電教室控制系統(tǒng)平臺(tái). 該系統(tǒng)包括了一般多媒體電教室所需的基本控制功能，它能實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體電教室的語(yǔ)音、圖像信號(hào)的切換，還能對(duì)電腦設(shè)備、影音設(shè)備、演播設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、環(huán)境設(shè)備等進(jìn)行集中管理及遠(yuǎn)程操控.

此多媒體中央控制器所具有的具體控制功能有：對(duì)攝像機(jī)云臺(tái)的控制、對(duì)AV和VGA信號(hào)路徑的控制、對(duì)音頻信號(hào)路徑的控制、對(duì)電動(dòng)幕布的控制和對(duì)電源的管理等.

1　設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)均選取了比較實(shí)用且技術(shù)成熟的控制方案，其優(yōu)點(diǎn)突出. 首先，簡(jiǎn)單的控制方案便于項(xiàng)目設(shè)計(jì)者以外的其他人進(jìn)行管理、維修. 由于本設(shè)計(jì)長(zhǎng)期用于學(xué)校多媒體實(shí)驗(yàn)室中，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)便于他人進(jìn)行維護(hù)、檢查. 其次，本設(shè)計(jì)選用的元器件成本低廉、技術(shù)成熟、購(gòu)買(mǎi)方便. 這為以后的維護(hù)、維修工作降低了時(shí)間及資金成本. 因此，本設(shè)計(jì)方案具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，還可以為一些專(zhuān)項(xiàng)的簡(jiǎn)單控制提供較清晰的設(shè)計(jì)理念及技術(shù)思路.

具體設(shè)計(jì)中采用了AT89C52單片機(jī)作為主要的核心控制芯片，與MAX232、MAX485、74LS148、74LS00、74LS155、CD4072、CD4052、ULN2803等芯片配合，共同構(gòu)成多媒體中央控制器的核心器件. 其工作流程是：任課教師通過(guò)控制面板的按鍵給出需要的控制信號(hào)，輸入信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制線傳遞給單片機(jī)，接著由單片機(jī)進(jìn)行判斷后切換相應(yīng)的AV或VGA信號(hào)輸出給投影機(jī). 這樣，投影機(jī)就會(huì)根據(jù)請(qǐng)求將得到的圖像信息顯示在電動(dòng)幕布上，以輔助教師的教學(xué)活動(dòng). 與此同時(shí)，單片機(jī)還能實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教室內(nèi)的各種教學(xué)設(shè)備的電源控制作用，如配合教師的按鍵指令打開(kāi)或關(guān)斷相應(yīng)的多媒體設(shè)備. 另外，在相應(yīng)的多媒體設(shè)備被打開(kāi)的同時(shí)，授課教師還能調(diào)整控制指令，遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地控制攝像頭的取景角度及取景范圍. 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1.

圖1　硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.1　Hardware design diagram

2　硬件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1　串口通信部分

串口是儀器儀表設(shè)備的一種通用的通信協(xié)議，它主要用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，其概念比較簡(jiǎn)單，因而能夠方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信. 本系統(tǒng)中包含了RS232和RS485兩種通信協(xié)議，分別用于控制投影機(jī)及云臺(tái)的受令動(dòng)作，以下進(jìn)行設(shè)計(jì)思路的具體介紹.

2.1.1云臺(tái)控制電路的設(shè)計(jì)

多媒體網(wǎng)絡(luò)教室所用的攝像頭云臺(tái)系統(tǒng)是通過(guò)串口與CPU通信的，它支持的串口類(lèi)型是RS485接口. 單片機(jī)通過(guò)RS485口向云臺(tái)發(fā)送命令碼，云臺(tái)根據(jù)相應(yīng)的指令進(jìn)行上、下、左、右等動(dòng)作，以使云臺(tái)架上的攝像頭根據(jù)需要獲得不同位置、不同廣角的影像. 在此還要用到芯片MAX487. MAX487是一款用于RS-485與RS-422通信的低功耗全雙工收發(fā)器，它能以最高250 kbps的數(shù)據(jù)速率發(fā)送并接收數(shù)據(jù). 其硬件連接圖在技術(shù)資料中可輕易找到，這里不再贅述. 單片機(jī)共給出3個(gè)信號(hào)，即：一個(gè)工作使能信號(hào)及一個(gè)RX輸入和一個(gè)TX輸出.

2.1.2投影機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

投影機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與云臺(tái)的控制電路有所不同，它是通過(guò)RS232口來(lái)與CPU通信的. 此電路的設(shè)計(jì)采用常見(jiàn)的MAX232芯片. MAX232作為RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL電平到RS232電平的轉(zhuǎn)換. 硬件連接圖參照廠家提供的芯片技術(shù)資料.

2.1.3兩路串行口的切換

由于AT89C52只有一個(gè)串行口，而我們要實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭云臺(tái)(RS485)和投影機(jī)(RS232)兩個(gè)設(shè)備的通信控制，因此本系統(tǒng)還用到了一個(gè)雙四選一多路模擬開(kāi)關(guān)MC14052. MC14052有兩個(gè)通路選擇信號(hào)，由單片機(jī)根據(jù)需要輸出00或01，以選擇RS485傳輸還是RS232傳輸. 其設(shè)計(jì)思路清晰明了，詳細(xì)的功能及硬件連接圖讀者可參考MC14052的技術(shù)資料.

2.2　其他信號(hào)切換電路的設(shè)計(jì)

1)AV信號(hào)的切換

AV端口(又稱復(fù)合端口)英文為Composite video connector，是影音電器用來(lái)傳送類(lèi)比視訊的常見(jiàn)端口. AV端口通常是黃色的RCA端口.

本設(shè)計(jì)中包括兩路AV信號(hào)，分別來(lái)自展示臺(tái)和攝像頭，它們根據(jù)命令分別與投影機(jī)的AV輸入端接通或者斷開(kāi). 由于視頻接口(不包含音頻)只需要兩條線相連既可，所以只需用一個(gè)雙刀雙擲繼電器就可以完成此操作.

2)音頻信號(hào)的切換

音頻信號(hào)(Audio)是帶有語(yǔ)音、音樂(lè)和音效的有規(guī)律的聲波的頻率、幅度變化信息載體. 音頻信號(hào)的控制與AV信號(hào)的控制思路大致相同，也是由一個(gè)雙刀雙擲繼電器完成切換. 設(shè)計(jì)中包含的兩個(gè)音頻信號(hào)分別來(lái)自筆記本電腦和臺(tái)式電腦.

3)VGA信號(hào)的切換

VGA(video graphics array)接口，也叫D-Sub接口. 它是一種D型接口，共有15針，分成3排，每排5個(gè). VGA接口是顯卡上應(yīng)用最為廣泛的接口類(lèi)型，絕大多數(shù)的顯卡都帶有此種接口.

本控制系統(tǒng)中的兩路VGA信號(hào)分別是臺(tái)式機(jī)、筆記本與投影機(jī)之間的切換. VGA接口的各管腳定義如表1[1]. 根據(jù)管腳定義，本多媒體控制設(shè)備采用3個(gè)雙刀雙擲繼電器切換其中的6路信號(hào)(即：1、2、3、11、13、14)，其余的9路保持始終連通，來(lái)完成VGA信號(hào)的切換控制. 具體的硬件連接圖如圖2. 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到硬件制板的成本與合理布局的需要，分別使用了一個(gè)單VGA接口和一個(gè)雙VGA接口. 硬件連接圖中使用了標(biāo)號(hào)4～10、12、15來(lái)指示3個(gè)接口的固定連接腳.

表1　VGA接口管腳定義Tab.1　VGA base pin definition

2.3　電源控制電路的設(shè)計(jì)

電源部分仍然是以單片機(jī)給出相應(yīng)的控制信號(hào)來(lái)控制繼電器的切斷與聯(lián)通的，但這里要注意選擇性能好一些的繼電器. 因?yàn)橥ㄟ^(guò)電源的電流要足以驅(qū)動(dòng)被供電的設(shè)備，所以聯(lián)通的繼電器也要能承受足夠大的電流. 這樣的繼電器結(jié)構(gòu)一般都很大，所需的驅(qū)動(dòng)電流也比一般的繼電器要大.

圖2　VGA接口硬件連接Fig.2　VGA connection diagram

本系統(tǒng)中控制總電源所用的繼電器的型號(hào)是SLA—05VDC，它的額定電流大，因而需要185 mA的驅(qū)動(dòng)電流；兩個(gè)分電源的切換選用G5A—234P繼電器，它所需驅(qū)動(dòng)電流為40 mA. 顯而易見(jiàn)，單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供這么多的電流，因而需要外加驅(qū)動(dòng)來(lái)提供工作電流. 本設(shè)計(jì)選用了達(dá)林頓管陣列驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803. 它的TTL輸入(0～5 V)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)繼電器，內(nèi)部不僅封裝了達(dá)林管陣列，并且含有鉗位二極管，連接繼電器時(shí)不需再連接保護(hù)二極管，使用非常方便，用途廣泛. 具體的功能連接圖讀者可參考相應(yīng)的技術(shù)資料，這里不再贅述.

2.4　鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)設(shè)計(jì)是利用編碼器編碼，CPU采集編碼、讀取鍵值的方案來(lái)設(shè)計(jì)的. 由于16-4編碼器在市場(chǎng)上比較難找，所以設(shè)計(jì)了兩個(gè)8-3編碼器74LS148和一個(gè)四組兩輸入端的與非門(mén)74LS00來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能[2]. 74LS148和74LS00的技術(shù)資料中詳細(xì)地給出了其管腳圖及原理說(shuō)明. 為方便讀者的理解與使用，現(xiàn)給出云臺(tái)控制部分的按鍵設(shè)計(jì)實(shí)例. 云臺(tái)部分具體的設(shè)計(jì)電路如圖3，芯片示意圖上清晰地表明了信號(hào)的輸入輸出方向，它對(duì)應(yīng)的16-4編碼器按鍵真值表如表2.

2.5　各信號(hào)指示燈電路的設(shè)計(jì)

LED指示燈的設(shè)計(jì)理念與鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)恰好相反，即：使用解碼器對(duì)其進(jìn)行控制. 指示燈采用共陽(yáng)極接法. 部分電路如圖4. 另外還要注意：此處的信號(hào)ledD1～ledD4還應(yīng)留出相應(yīng)的插針位置，因?yàn)樗丝刂芁ED的亮滅還可以同時(shí)控制硬盤(pán)遙控器進(jìn)行作用. 本設(shè)計(jì)中有多處采用了相同的設(shè)計(jì)思路，如云臺(tái)的動(dòng)作等，這種簡(jiǎn)便的思路可以將同思路不同出處的控制信號(hào)進(jìn)行合并，減少了控制量的數(shù)目. 不過(guò)，讀者在借鑒使用該思路時(shí)應(yīng)注意信號(hào)的極性，以便確定LED應(yīng)共陰還是共陽(yáng). 再者還要注意輸出信號(hào)的電流驅(qū)動(dòng)能力，若另一路共用信號(hào)(本例中指遙控器)需要的驅(qū)動(dòng)電流較大，則這種方法不再適用.

圖3　云臺(tái)控制部分的鍵盤(pán)電路Fig.3　PTZ keyboard control circuit

表2　云臺(tái)按鍵對(duì)應(yīng)的真值表

2.6　單片機(jī)的選擇

本設(shè)計(jì)選用的AT89C52是一款A(yù)TMEL公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)，它是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，應(yīng)用簡(jiǎn)單. AT89C52單片機(jī)適用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)的控制應(yīng)用場(chǎng)合.

圖4　LED部分原理圖Fig.4　Schematic diagram of LED

AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線. AT89C52將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本，非常符合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求. 關(guān)于AT89C52的使用讀者可參閱參考文獻(xiàn)[3-5]. 本設(shè)計(jì)中AT89C52管腳的網(wǎng)絡(luò)連接的功能定義如表3.

3　軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

3.1　攝像頭云臺(tái)控制的軟件設(shè)計(jì)

云臺(tái)的動(dòng)作由CPU通過(guò)串口向云臺(tái)傳送相應(yīng)的控制碼來(lái)完成，其控制碼(用十六進(jìn)制表示)及對(duì)應(yīng)功能如表4. 另外，由于不同廠家的云臺(tái)控制碼可能不同，具體區(qū)別讀者應(yīng)參照相應(yīng)設(shè)備的技術(shù)資料.

傳遞云臺(tái)碼的子程序的流程圖如圖5[4-5].

表3　AT89C52的網(wǎng)絡(luò)定義Tab.3　Network definition of AT89C52

表4　云臺(tái)控制碼Tab.4　PTZ control code

圖5　云臺(tái)碼子程序流程圖Fig.5　Flow chart of PTZ control

3.2　投影儀控制的軟件設(shè)計(jì)

投影儀的控制也是通過(guò)傳送相應(yīng)的控制碼來(lái)完成動(dòng)作的，其控制流程與云臺(tái)控制基本相同，這里不再贅述. 它的控制口為RS-232，波特率為19 200，無(wú)停止碼，對(duì)應(yīng)的控制碼及其功能列出如下：

投影儀開(kāi)機(jī)：0x43,0x30,0x30,0x0D；

投影儀關(guān)機(jī)：0x43,0x30,0x31,0x0D；

通道一輸入：0x43,0x30,0x35,0x0D；

通道二輸入：0x43,0x30,0x36,0x0D；視頻輸入： 0x43,0x30,0x37,0x0D.

3.3　主程序

相比之下主程序完成的功能比較單一，主要是對(duì)鍵值的讀取、識(shí)別和對(duì)應(yīng)功能的查詢執(zhí)行. 主程序的軟件流程圖如圖6[3-5].

圖6　主程序軟件流程圖Fig.6　Main program flow chart

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多媒體教學(xué)設(shè)備綜合控制臺(tái)已經(jīng)投入使用，其控制效果良好. 本控制系統(tǒng)囊括了幾乎所有的電教室多媒體設(shè)備的信號(hào)控制思路，如：攝像機(jī)云臺(tái)、投影機(jī)等串口控制設(shè)備的控制思路，AV和VGA信號(hào)的切換控制思路，電源管理的受控因素，以及編碼、解碼的實(shí)際設(shè)計(jì)思路. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有成本低廉、使用靈活、可靠性和通用性良好等特點(diǎn)，可供其他類(lèi)似的多媒體控制平臺(tái)參考使用.