基于嵌入式TCP/IP技术的网络型多媒体中控器设计

李 庆

(武警成都指挥学院， 四川 成都 610213)

0 引言

图1 系统工作原理

随着多媒体技术与信息技术在教学中的普及，多媒体教室已成为各大高校的主要教学场地，其管理的好坏将直接关系到课堂知识的传授效果和学校的教学质量.早期的多媒体教室主要是将各类教学设备进行简单的连接，这样的方案易造成使用及管理不便并存在安全隐患.为解决以上问题，很多高校在多媒体教室中安装了多媒体中控器,这种中控装置利用了集中控制的原理，可以将多媒体教室中所有教学设备的控制使用权进行集中的管理，使原本相对独立的各种多媒体教学设备变成了一个可以统一控制管理的系统.多媒体中控器能一定程度地解决多媒体教室的使用问题，但是仍然不能有效解决多媒体教室的远程管理等问题.为规范高校多媒体教室的使用秩序，需要各教室的中控装置不单能管理本教室的教学设备，还能识别使用者身份以及为管理人员实现远程监控提供网络通信功能.因此，构建一套具有身份识别功能、基于校园网络的多媒体中控系统是解决现阶段多媒体教室使用及管理问题的优选方案.

1 系统工作原理

本文所设计的多媒体中控器以常用多媒体教学设备为控制目标，运用射频IC卡进行使用者身份识别，并通过嵌入式TCP/IP技术使中控器与远程监控端进行网络通信，以实现在远程监控计算机上对接入校园网的所有多媒体教室进行监控.系统工作原理如图1所示.

中控器在锁定状态下切断除自身外所有教学设备的电源，这时候任何多媒体教学设备均不能使用.教师在授课前通过射频IC卡进行身份确认后，中控器接通其余设备的电源.此时，教师可开启并操作所需要的多媒体教学设备.授课结束，教师在关闭教学设备后关闭中控系统，使系统再次进入锁定状态.

若教师在授课前忘记携带射频IC卡，可以通过电话联系远程监控室，管理人员可通过网络远程解除申请人所在教室中控器的锁定状态.

各多媒体教室需要在适当位置安装视频监控设备，使之能兼顾教学秩序与教学设备的管理.管理人员可以定时在远程监控端通过摄像头了解各教室多媒体设备的使用情况，当出现教师在授课后忘记关闭中控系统或出现非法使用的情况，管理人员可以远程切断设备电源，重新锁定中控系统.

2 系统硬件设计

(1)硬件构架.考虑到系统成本及效率，中控器选择Silabs公司的C8051F020单片机作为控制核心.外围电路主要分为3个模块：设备控制模块、射频读卡模块、网络通信模块,其中设备控制模块又由控制面板、开关控制以及音视频切换3部分组成.硬件系统框图如图2所示.

图2 硬件系统框图

(2)设备控制电路.设备控制模块包括控制面板、开关控制以及音视频切换3部分电路组成.控制面板负责输入操作信息.开关控制电路负责对设备电源、投影机、电动投影幕、音响等进行开关控制操作.音视频切换电路根据键盘操作使系统切换到相应的音频源和视频源.以上三者共同构成设备控制模块，实现对多媒体教学设备的管理控制.设备控制电路如图3所示.

图3 设备控制电路

图4 中控器控制面板

控制面板是中控系统的输入设备，其原理是一个带输出中断信号的矩阵键盘.教师可以通过面板上的键盘控制设备开关并调整其工作状态.除按键外，面板上还预留了射频IC卡的感应区域.多媒体教室通常会将计算机以及中控器嵌入安装于讲桌内部，所以一些常用接口线也需要从控制面板引出，例如笔记本音视频输入、台式机外接USB等接口.控制面板外观如图4所示.

开关控制电路主要实现对具体多媒体设备进行开关及调节操作,其中单片机P3.0口外接ULN2003A驱动电路驱动一个继电器来实现220V电源的开关.中控系统初始化完成后，P3.0口为低电平，除中控器外的设备电源都是切断的，教学设备不可用，中控器处于锁定状态.当系统读取到合法射频卡或网络收到开启信号后，P3.0口置高电平，设备总电源开启，教师可以自由使用相关教学设备.

电动投影幕的升降主要由管状电机控制.根据管状电机控制原理，系统分配单片机P3.1与P3.2口作为控制信号.该信号经ULN2003A驱动后控制继电器工作，从而实现对电动投影幕的控制.单片机UART0通过MAX3232进行电平转换后接入投影机的RS-232串口，中控器通过向该串口发送控制码来实现对投影机的开关控制.

投影机通常在关闭后散热风扇也会继续工作一段时间，应用过程中若直接关闭电源不利于设备的保养.一般有两种解决方法,一是单独设置电路对投影机电源进行延时关闭;二是让其电源一直处于接通状态，只需要在关闭中控系统时确认投影机是否关闭,若未关闭则通过串口向投影机发送关闭控制信号.

计算机直接通过总电源进行关闭会造成非正常关机.为解决计算机远程关闭的问题，可以在远程监控计算机上运用远程控制软件关闭目标计算机，例如Symantec公司的pcAnywhere软件.

视频展台、音响及麦克风可直接通过总电源进行开关管理.本着简化设计的原则，系统中没有安排单片机端口对音响及麦克风进行控制，只需设计电路将该类设备上的相关控制按键或旋钮转移并集成到中控器的控制面板上即可.

音视频切换电路可根据用户在控制面板上的操作使系统切换到相应的音频源和视频源.中控系统允许台式机、笔记本以及视频展台3路VGA输入，通过视频切换电路输出到投影机.允许台式机、笔记本两路双声道音频输入，通过音频切换电路输出到功放音响.麦克风音频信号不通过中控器直接输入功放音响.系统中采用了MAX4885多路VGA复用芯片实现视频切换功能.由于系统需要实现3路VGA信号(台式机、笔记本、视频展台)的选择，因此采用两片MAX4885并联的方式实现切换功能.单片机P3.3和P3.4口作为切换电路的控制信号.

双声道音频切换电路采用CD4052双4选1模拟开关,也是通过单片机P3.3和P3.4口的输出编码来控制CD4052进行音频通道切换，设备对应编码与视频切换相同.

图5 射频读卡电路

图6 网络通信电路

(3)射频读卡电路.射频读卡模块采用Philips公司的MFRC522射频读卡芯片，电路如图5所示.C8051F020单片机P0.2～P0.5经交叉开关配置作为SPI接口，功能依次为SCK、MISO、MOSI、NSS，与MFRC522芯片SPI接口相连.此外，单片机P2.7口作为复位信号与MFRC522芯片/RST引脚连接，以实现系统的复位操作.此外，MFRC522芯片从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56 MHz载波信号，只需辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能便可直接驱动天线.

(4)网络通信电路.网络通信模块采用Silabs公司的CP2200以太网控制器.CP2200内部集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器(MAC)和10Base-T物理层(PHY)，可为系统提供以太网通信功能.电路如图6所示.

设置C8051F020外部存储器接口配置寄存器EMI0CF为0xFB，将单片机外部存储器接口EMIF配置在高端口(P4～P7).C8051F020的P4.5口连接CP2200进行复位操作，P4.6、P4.7口分别连接CP2200读写控制信号线/RD、/WR ，P5.7口(A15)作为CP2200的片选信号.P6口作为地址总线的低8位与CP2200的地址线A[0:7]相连，P7口作为数据总线与CP2200的数据线D[0:7]相连.经交叉开关配置的单片机/INT0与CP2200芯片的中断信号/INT相连.CP2200的14个中断事件中的任何一个产生中断时,CP2200通过将中断状态寄存器中相应的标志置1，并将/INT引脚驱动到低电平来通知主机.此外，CP2200的两组差分信号RX+/RX-和TX+/TX-需要通过RJ-45插头实现与网络的连接.

图7 系统主程序

3 系统软件设计

系统主程序如图7所示.射频读卡子程序如图8所示.网络通信子程序如图9所示.网络通信模块软件主要包括模块初始化程序、CP2200驱动程序以及嵌入式TCP/IP协议栈3部分,其中CP2200驱动程序主要完成接受网络数据以及向网络发送数据的工作.

由于嵌入式Internet系统软硬件资源有限并且通常功能需求较少，因此在构造嵌入式TCP/IP协议栈的时候可以对TCP/IP协议进行裁剪.本系统设计的嵌入式TCP/IP协议栈只选取了4项的协议：ARP、IP、ICMP和TCP.

ARP(地址解析协议)可为IP地址与对应的硬件地址提供动态映射.在上层协议需要对外进行通信时，系统会在本地的高速缓存中寻找目的IP所对应的MAC地址.如果没有找到，则调用ARP请求协议.

图8 射频读卡子程序

本系统中ARP协议能完成接收ARP报文、发送ARP报文、高速缓存管理、解析ARP报文等功能,这些功能具体由ARP初始化函数init_arp()、ARP高速缓存更新函数age_arp_cache()、ARP发送函数arp_send()、ARP解析函数arp_resolve()、ARP重传函数arp_retransmit()和ARP接收函数arp_rcve()来实现.

IP(网际协议)是TCP/IP协议栈的核心，通过它可以使不同网络的主机之间进行数据通信.IP提供的是不可靠的、无连接的数据报传送服务.系统设计中为简化IP协议，只实现IP报文的发送和接收,具体由IP发送函数ip_send()和IP接收函数ip_rcve()来实现，其中ip_send()负责添加20字节的IP首部，然后将数据报送到链路层,而ip_rcve()负责接收来自链路层的IP数据包，解包后送给上层协议.

ICMP(网络控制报文协议)的主要作用是传递差错报文以及其它需要注意的信息,通过该协议可以进行网络节点的简单诊断.为简化ICMP协议，本系统设计中只实现了两种与Ping命令有关的报文处理，其功能主要由Ping发送函数ping_send()和ICMP接收函数icmp_rcve()实现,其中ping_send()函数负责构成ICMP报文并发送该报文,icmp_rcve()函数负责解释、处理接收到的ICMP报文.如果报文类型是回送请求(类型为8)，则从服务器端调用ping_send()发送应答内容.如果是其它类型，在本系统中不做处理.

图9 网络通信子程序

TCP(传输控制协议)是建立在IP协议之上的运输层协议.由于加入端口(port)的功能，实现了传输通道的复用和分用功能.TCP数据报首部为20～60字节，是一种面向连接的，能提供可靠数据传输的服务.TCP协议功能主要由TCP初始化函数init_tcp()、TCP保活函数tcp_inactivity()、TCP发送函数tcp_send()、TCP接收函数tcp_rcve()和TCP重传函数tcp_retransmit()实现.

4 结束语

本文运用增强型8位单片机C8051F020设计了一套功能完备、成本合理的网络型中控器.系统通过射频IC卡确认使用者身份后即可方便地控制多媒体教室的全部教学设备.为顺利实现远程监控管理功能，中控系统还设置有嵌入式以太网接口.管理人员可以通过教室内摄像头了解教学设备的运行情况后对多媒体设备进行必要的管理操作.相对于市场现有的多媒体中控产品，特别是对比单价在3000元以下的中低端多媒体中控器，本设计具有功能相对完备实用、成本合理的优势，具有一定的市场前景。

[1] 郑 伟．多媒体教室的集中监控系统研究[D]．西安：西北工业大学硕士学位论文，2007．

[2] 曹 婕，王耀青．网络中控系统中以太网接口的设计与实现[J]．微计算机信息，2006，22(10)：235-237．

[3] 常玉保．网络中央控制系统的研究与设计[D]．大连：大连理工大学硕士学位论文，2006．

[4] 陈春梅，杨世恩．远程多媒体教室中央监视系统[J]．西南科技大学学报，2004，19(2)：33-36．

[5] 刘庆全．基于校园网的多媒体教室远程控制系统的研究与实现[D]．南京：东南大学硕士学位论文，2006．