摘? 要: 結(jié)合多媒體電化教室設(shè)計(jì)、建設(shè)的實(shí)際過(guò)程，提出了一整套先進(jìn)完善的多媒體電化教室的建設(shè)方案，包括先進(jìn)的現(xiàn)代化多媒體電教設(shè)備、模塊化設(shè)計(jì)、組成RS-232C與RS-485兩種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)共存的通訊網(wǎng)絡(luò)、完成各種控制功能。
關(guān)鍵詞: 電化教學(xué)? 多媒體? 單片機(jī)? 總線(xiàn)? 串行通信
?
1 總體設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式是教師采用口授的方法，使用黑板、粉筆；學(xué)生面對(duì)的是老師、教材和黑板。這種教學(xué)形式單一，教學(xué)效果很大程度上取決于老師的個(gè)人才華和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著時(shí)代的進(jìn)步，各種器材被應(yīng)用在教學(xué)中，如無(wú)線(xiàn)話(huà)筒、投影儀、幻燈機(jī)等，提高了教學(xué)效果；同時(shí)大量教學(xué)錄像片紛紛涌現(xiàn)，使教育飛躍了時(shí)空的限制。計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步、多媒體視頻系統(tǒng)的大量開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，為現(xiàn)代教育媒體提供了一個(gè)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(yīng)用之一，它具有如下顯著特點(diǎn):
(1)繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)電化教室的各種功能
在設(shè)計(jì)之前，參閱了大量的其它同類(lèi)產(chǎn)品，對(duì)它們的各項(xiàng)功能進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合教學(xué)的實(shí)際要求著手開(kāi)發(fā)和研制各種功能，力求教學(xué)中的各種功能逐一不漏地實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也滿(mǎn)足教師在教學(xué)中新的要求。教室不僅可以用于多媒體計(jì)算機(jī)教學(xué)，還可以用于錄像教學(xué)、外語(yǔ)教學(xué)、學(xué)術(shù)報(bào)告等。
(2)模塊化的設(shè)計(jì)和中央控制系統(tǒng)使產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠、易于擴(kuò)展
在通信和控制上使用單片機(jī)，使控制電路一改傳統(tǒng)的方法，使電路更加簡(jiǎn)潔明了，性能上也更加穩(wěn)定可靠。各模塊合理分工，獨(dú)立工作，組合起來(lái)成為一個(gè)整體，便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試，一旦出了問(wèn)題也不會(huì)殃及其他模塊，提高了可靠性，而且便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。
(3)利用計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)備、窗簾、燈光等輔助設(shè)施進(jìn)行控制，配套的圖形界面軟件使操作直觀(guān)、方便、簡(jiǎn)單。
????教師對(duì)學(xué)生的控制信號(hào)是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)傳達(dá)的，計(jì)算機(jī)屏幕上使用WINDOWS操作平臺(tái)的圖形界面，形象地顯示各種設(shè)備的狀態(tài)，教師只需要按動(dòng)鼠標(biāo)就可以進(jìn)行控制，十分直觀(guān)、方便、簡(jiǎn)單。
2 模塊結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由中央控制及串行接口卡、視頻切換卡、音頻切換卡、學(xué)習(xí)型遙控器、功率控制模塊和上位機(jī)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(jī)通過(guò)串行總線(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊，接收從計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，對(duì)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(hào)，處理這些模塊返回的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控各模塊的狀態(tài)，與上位計(jì)算機(jī)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(jī)作為整個(gè)主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)中的一個(gè)從機(jī)，通過(guò)MAX485連接在串行總線(xiàn)上。AT89C51的P0口用作音頻、視頻切換控制，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖存器74HC373鎖存，再經(jīng)光耦TLP521-4進(jìn)行隔離后輸出到音頻、視頻切換卡；74HC373的輸出同時(shí)送到單片機(jī)的P2.0～P2.5口，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)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(gè)附屬模塊，自帶鍵盤(pán)掃描和顯示驅(qū)動(dòng)器，手控面板可以在脫離主控計(jì)算機(jī)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(dāng)前的切換狀態(tài)；IMP813L為電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路。
?
?
2.2 視頻切換卡
系統(tǒng)提供了四種信號(hào)源，即計(jì)算機(jī)、視頻展示臺(tái)、VCD、錄像機(jī)的視頻信號(hào)源；同時(shí)還提供了大屏幕投影、監(jiān)視器、錄像機(jī)等三種視頻輸出方式。視頻切換卡就是完成對(duì)四路視頻信號(hào)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(kāi)關(guān)CD4051，該芯片工作于開(kāi)關(guān)穩(wěn)定導(dǎo)通時(shí)，可傳輸?shù)男盘?hào)上限頻率約為40MHz。這里傳輸?shù)钠胀ǚ直媛蕪?fù)合全電視信號(hào)的帶寬最高為8MHz，該芯片可以滿(mǎn)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(dòng)器的MAX470，它在增益為2V/V時(shí)，具有90MHz的可用增益帶寬和300V/μs的轉(zhuǎn)換速率，應(yīng)用電路簡(jiǎn)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(guò)輸入網(wǎng)絡(luò)、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(guò)單片機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行輸入選擇。緩沖放大電路選用集成運(yùn)放NE5532，與話(huà)筒放大信號(hào)疊加后輸出。音頻切換及話(huà)筒混合放大電路原理圖如圖3所示。
?
?
2.4 學(xué)習(xí)型遙控器
投影機(jī)、錄像機(jī)、DVD、功放等各種音視頻設(shè)備都采用了遙控，但每個(gè)設(shè)備帶一個(gè)遙控器，使用起來(lái)相當(dāng)麻煩，這里的學(xué)習(xí)型遙控器就是為了在中央控制系統(tǒng)中統(tǒng)一完成對(duì)所有設(shè)備的遙控功能。學(xué)習(xí)型遙控器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一是預(yù)先在遙控器內(nèi)存儲(chǔ)大量的各種型號(hào)的遙控碼，有的還能夠在線(xiàn)下載，使用時(shí)需要知道原遙控器的型號(hào)，學(xué)習(xí)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(dòng)學(xué)習(xí)遙控器的遙控碼，將碼存儲(chǔ)在內(nèi)部E2PROM里，發(fā)碼時(shí)將學(xué)習(xí)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(guò)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(gè)已調(diào)載波推動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線(xiàn)。
單片機(jī)讀遙控碼可以采用查詢(xún)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(dòng)地存儲(chǔ)下來(lái)，就能夠發(fā)出和原碼相同的遙控碼。
遙控碼存儲(chǔ)在E2PROM中，發(fā)送時(shí)利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生38K左右的載波，輸出的遙控碼通過(guò)與門(mén)對(duì)載波進(jìn)行ASK調(diào)制，利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管即可完成學(xué)習(xí)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(gè)外圍可選模塊，該模塊安裝不同的外圍器件可以實(shí)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(xiàn)、通風(fēng)狀況。
功率控制模塊也是通過(guò)RS-485總線(xiàn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通訊。由一片AT89C51單片機(jī)來(lái)接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，控制雙向可控硅的導(dǎo)通和截止，用相同的電路通過(guò)外接繼電器、電機(jī)等不同的負(fù)載可以方便地控制日光燈、窗簾等不同的設(shè)備。每一個(gè)模塊有一個(gè)獨(dú)立的地址，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行擴(kuò)充。
2.6 上位機(jī)控制軟件
上位機(jī)控制軟件由delphi編寫(xiě)，程序分為用戶(hù)界面層和通訊層。
用戶(hù)界面層提供形象的動(dòng)態(tài)圖形用戶(hù)界面，美觀(guān)生動(dòng)，方便直觀(guān)，用鼠標(biāo)操作，能達(dá)到所見(jiàn)即所得的效果，程序通過(guò)對(duì)通訊層的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)音視頻的切換、音量調(diào)節(jié)、設(shè)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(gè)delphi下的串行通訊控件組成。它是整個(gè)通訊過(guò)程的核心部分，由用戶(hù)界面層來(lái)調(diào)用，完成與下位機(jī)的串行通訊，按照預(yù)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(jī)返回的狀態(tài)，并反饋給用戶(hù)界面層，將用戶(hù)操作的結(jié)果實(shí)時(shí)反映在界面上。
?
參考文獻(xiàn)
1 陳汝全.實(shí)用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù).電子科技大學(xué)出版社，1997
2 黃克強(qiáng).基于Windows環(huán)境的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)間的串行通訊.機(jī)電工程，1998(2)
3 8-Bit Embeded Controllers. Intel Corporation.1990
?