多媒体教学设备综合控制系统的设计与实现

刘雯静

(北京工商大学 计算机与信息工程学院， 北京　100048)

随着校园网络和多媒体教室的快速普及，学校的计算机网络教学实现无纸化、网络化和远程化已成为现代教学发展的主流趋势. 本设计“多媒体教学设备综合控制系统”就是这样一款普遍适用的现代多媒体电教室控制系统平台. 该系统包括了一般多媒体电教室所需的基本控制功能，它能实现对多媒体电教室的语音、图像信号的切换，还能对电脑设备、影音设备、演播设备、监控设备、环境设备等进行集中管理及远程操控.

此多媒体中央控制器所具有的具体控制功能有：对摄像机云台的控制、对AV和VGA信号路径的控制、对音频信号路径的控制、对电动幕布的控制和对电源的管理等.

1　设计方案

本设计均选取了比较实用且技术成熟的控制方案，其优点突出. 首先，简单的控制方案便于项目设计者以外的其他人进行管理、维修. 由于本设计长期用于学校多媒体实验室中，简单的设计便于他人进行维护、检查. 其次，本设计选用的元器件成本低廉、技术成熟、购买方便. 这为以后的维护、维修工作降低了时间及资金成本. 因此，本设计方案具有经济、实用、环保等优点，还可以为一些专项的简单控制提供较清晰的设计理念及技术思路.

具体设计中采用了AT89C52单片机作为主要的核心控制芯片，与MAX232、MAX485、74LS148、74LS00、74LS155、CD4072、CD4052、ULN2803等芯片配合，共同构成多媒体中央控制器的核心器件. 其工作流程是：任课教师通过控制面板的按键给出需要的控制信号，输入信号通过网络控制线传递给单片机，接着由单片机进行判断后切换相应的AV或VGA信号输出给投影机. 这样，投影机就会根据请求将得到的图像信息显示在电动幕布上，以辅助教师的教学活动. 与此同时，单片机还能实现对多媒体教室内的各种教学设备的电源控制作用，如配合教师的按键指令打开或关断相应的多媒体设备. 另外，在相应的多媒体设备被打开的同时，授课教师还能调整控制指令，远程、实时地控制摄像头的取景角度及取景范围. 设计的系统硬件结构框图如图1.

图1　硬件设计框图Fig.1　Hardware design diagram

2　硬件开发与设计

2.1　串口通信部分

串口是仪器仪表设备的一种通用的通信协议，它主要用于获取远程采集设备的数据，其概念比较简单，因而能够方便地实现远距离通信. 本系统中包含了RS232和RS485两种通信协议，分别用于控制投影机及云台的受令动作，以下进行设计思路的具体介绍.

2.1.1云台控制电路的设计

多媒体网络教室所用的摄像头云台系统是通过串口与CPU通信的，它支持的串口类型是RS485接口. 单片机通过RS485口向云台发送命令码，云台根据相应的指令进行上、下、左、右等动作，以使云台架上的摄像头根据需要获得不同位置、不同广角的影像. 在此还要用到芯片MAX487. MAX487是一款用于RS-485与RS-422通信的低功耗全双工收发器，它能以最高250 kbps的数据速率发送并接收数据. 其硬件连接图在技术资料中可轻易找到，这里不再赘述. 单片机共给出3个信号，即：一个工作使能信号及一个RX输入和一个TX输出.

2.1.2投影机控制电路的设计

投影机控制电路的设计与云台的控制电路有所不同，它是通过RS232口来与CPU通信的. 此电路的设计采用常见的MAX232芯片. MAX232作为RS232的电平转换芯片，完成TTL电平到RS232电平的转换. 硬件连接图参照厂家提供的芯片技术资料.

2.1.3两路串行口的切换

由于AT89C52只有一个串行口，而我们要实现对摄像头云台(RS485)和投影机(RS232)两个设备的通信控制，因此本系统还用到了一个双四选一多路模拟开关MC14052. MC14052有两个通路选择信号，由单片机根据需要输出00或01，以选择RS485传输还是RS232传输. 其设计思路清晰明了，详细的功能及硬件连接图读者可参考MC14052的技术资料.

2.2　其他信号切换电路的设计

1)AV信号的切换

AV端口(又称复合端口)英文为Composite video connector，是影音电器用来传送类比视讯的常见端口. AV端口通常是黄色的RCA端口.

本设计中包括两路AV信号，分别来自展示台和摄像头，它们根据命令分别与投影机的AV输入端接通或者断开. 由于视频接口(不包含音频)只需要两条线相连既可，所以只需用一个双刀双掷继电器就可以完成此操作.

2)音频信号的切换

音频信号(Audio)是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体. 音频信号的控制与AV信号的控制思路大致相同，也是由一个双刀双掷继电器完成切换. 设计中包含的两个音频信号分别来自笔记本电脑和台式电脑.

3)VGA信号的切换

VGA(video graphics array)接口，也叫D-Sub接口. 它是一种D型接口，共有15针，分成3排，每排5个. VGA接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，绝大多数的显卡都带有此种接口.

本控制系统中的两路VGA信号分别是台式机、笔记本与投影机之间的切换. VGA接口的各管脚定义如表1[1]. 根据管脚定义，本多媒体控制设备采用3个双刀双掷继电器切换其中的6路信号(即：1、2、3、11、13、14)，其余的9路保持始终连通，来完成VGA信号的切换控制. 具体的硬件连接图如图2. 在实际设计中，考虑到硬件制板的成本与合理布局的需要，分别使用了一个单VGA接口和一个双VGA接口. 硬件连接图中使用了标号4～10、12、15来指示3个接口的固定连接脚.

表1　VGA接口管脚定义Tab.1　VGA base pin definition

2.3　电源控制电路的设计

电源部分仍然是以单片机给出相应的控制信号来控制继电器的切断与联通的，但这里要注意选择性能好一些的继电器. 因为通过电源的电流要足以驱动被供电的设备，所以联通的继电器也要能承受足够大的电流. 这样的继电器结构一般都很大，所需的驱动电流也比一般的继电器要大.

图2　VGA接口硬件连接Fig.2　VGA connection diagram

本系统中控制总电源所用的继电器的型号是SLA—05VDC，它的额定电流大，因而需要185 mA的驱动电流；两个分电源的切换选用G5A—234P继电器，它所需驱动电流为40 mA. 显而易见，单片机远远不能提供这么多的电流，因而需要外加驱动来提供工作电流. 本设计选用了达林顿管阵列驱动芯片ULN2803. 它的TTL输入(0～5 V)可以同时驱动8个继电器，内部不仅封装了达林管阵列，并且含有钳位二极管，连接继电器时不需再连接保护二极管，使用非常方便，用途广泛. 具体的功能连接图读者可参考相应的技术资料，这里不再赘述.

2.4　键盘电路的设计

键盘设计是利用编码器编码，CPU采集编码、读取键值的方案来设计的. 由于16-4编码器在市场上比较难找，所以设计了两个8-3编码器74LS148和一个四组两输入端的与非门74LS00来实现此功能[2]. 74LS148和74LS00的技术资料中详细地给出了其管脚图及原理说明. 为方便读者的理解与使用，现给出云台控制部分的按键设计实例. 云台部分具体的设计电路如图3，芯片示意图上清晰地表明了信号的输入输出方向，它对应的16-4编码器按键真值表如表2.

2.5　各信号指示灯电路的设计

LED指示灯的设计理念与键盘的设计恰好相反，即：使用解码器对其进行控制. 指示灯采用共阳极接法. 部分电路如图4. 另外还要注意：此处的信号ledD1～ledD4还应留出相应的插针位置，因为它除了控制LED的亮灭还可以同时控制硬盘遥控器进行作用. 本设计中有多处采用了相同的设计思路，如云台的动作等，这种简便的思路可以将同思路不同出处的控制信号进行合并，减少了控制量的数目. 不过，读者在借鉴使用该思路时应注意信号的极性，以便确定LED应共阴还是共阳. 再者还要注意输出信号的电流驱动能力，若另一路共用信号(本例中指遥控器)需要的驱动电流较大，则这种方法不再适用.

图3　云台控制部分的键盘电路Fig.3　PTZ keyboard control circuit

表2　云台按键对应的真值表

2.6　单片机的选择

本设计选用的AT89C52是一款ATMEL公司生产的51系列单片机，它是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8 kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，功能强大，应用简单. AT89C52单片机适用于许多较复杂系统的控制应用场合.

图4　LED部分原理图Fig.4　Schematic diagram of LED

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线. AT89C52将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本，非常符合本项目的设计需求. 关于AT89C52的使用读者可参阅参考文献[3-5]. 本设计中AT89C52管脚的网络连接的功能定义如表3.

3　软件的开发与设计

3.1　摄像头云台控制的软件设计

云台的动作由CPU通过串口向云台传送相应的控制码来完成，其控制码(用十六进制表示)及对应功能如表4. 另外，由于不同厂家的云台控制码可能不同，具体区别读者应参照相应设备的技术资料.

传递云台码的子程序的流程图如图5[4-5].

表3　AT89C52的网络定义Tab.3　Network definition of AT89C52

表4　云台控制码Tab.4　PTZ control code

图5　云台码子程序流程图Fig.5　Flow chart of PTZ control

3.2　投影仪控制的软件设计

投影仪的控制也是通过传送相应的控制码来完成动作的，其控制流程与云台控制基本相同，这里不再赘述. 它的控制口为RS-232，波特率为19 200，无停止码，对应的控制码及其功能列出如下：

投影仪开机：0x43,0x30,0x30,0x0D；

投影仪关机：0x43,0x30,0x31,0x0D；

通道一输入：0x43,0x30,0x35,0x0D；

通道二输入：0x43,0x30,0x36,0x0D；视频输入： 0x43,0x30,0x37,0x0D.

3.3　主程序

相比之下主程序完成的功能比较单一，主要是对键值的读取、识别和对应功能的查询执行. 主程序的软件流程图如图6[3-5].

图6　主程序软件流程图Fig.6　Main program flow chart

4　结束语

本文设计的多媒体教学设备综合控制台已经投入使用，其控制效果良好. 本控制系统囊括了几乎所有的电教室多媒体设备的信号控制思路，如：摄像机云台、投影机等串口控制设备的控制思路，AV和VGA信号的切换控制思路，电源管理的受控因素，以及编码、解码的实际设计思路. 系统的设计具有成本低廉、使用灵活、可靠性和通用性良好等特点，可供其他类似的多媒体控制平台参考使用.