基于微控制器的时间码分配器的设计与实现

刘丹

摘 要： 在演出节目中，音频、视频、灯光之间的同步至关重要。本文介绍了基于微控制器的时间码分配器的设计方案来解决同步问题，将单路时间码发生器转变为多路时间码。该设计以微处理器PIC单片机作为核心，主要由单片机微处理器、时间码接收发送模块、数码管驱动电路以及按键扫描电路组成。硬件电路设计简单，软件设计模块化，降低成本，减小体积，目前该设备在调试阶段运行稳定。

关键词： PIC单片机；时间码；多路分配器；演出同步

一、引言

在演出节目编排过程中，一个比较突出的问题是各个专业（指音频、视频、灯光等）之间的协调与同步很难控制。一个大型的演出，在每个专业相对独立的情况下，需要一个比较庞大的队伍才能保障演出的顺利编排与演出。而在编排的过程中，大部分时间都花在了专业之间的协调上面，而且比起真正专注在节目的时间可能要多得多。

从技术的角度来说，这几个单元的藕合性非常低，他们可以独自工作而不相互影响，唯一比较突出的联系是“时间”，即在什么时候播出什么东西。从用户使用的角度来说，“时间”的关系却是他们最关心的东西。如果能将这几个单元的状态集中在一起进行查看与管理，用户将省去许多不必要的麻烦。如协调各个单元之间的同步问题，在节目编辑时各个专业的相互参考与对比修正等等。

采用时间码分配设备，将解决各个专业（指音频、视频、灯光）之间的协调与同步很难控制的问题；减少在演出中编排与演出的人员及时间。

二、概述

2.1 PIC单片机

PIC单片机是CMOS单片机，精简指令使其执行效率大为提高，具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，运行速度快； PIC单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路，I/O口低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA；具有在线调试及编程（ISP）功能；还具有低工作电压、低功耗等特点。以PIC单片机为基础生产出的产品功耗比较低，质量水平比较高，成本比较少，保密性好。同时其内部资源丰富，广泛应用于工业控制领域。

2.2 时间码

时间码大致可分为三种：SMPTE/EBU时间码、MIDI时间码（MTC）和IEC时间码。其中SMPTE码是NTSC制中采用的时间码，而EBU码是PAL制中采用的时间码。这两种时间码系统中，二者都应用在复杂的视频制作过程中。在声频中SMPTE则更普遍些。MTC是广泛运用在MIDI设备之间的时间码。IEC时间码则是用于R-DAT之中的，较少用到。而现在用的是设备间的时间码，也就是MIDI时间码；下面简单介绍MIDI时间码。MIDI时间码有两个特定的功能，其一就是将通用的SMPTE时间码转换成MIDI协议中规定的数据格式后分配给MIDI系统网络中的MIDI设备；其二是提供传送所谓“设定”信息的方法，使控制微机能够在确定的时间发生时刻将各个接收设备同步起来。MTC作为一个实时参考标准而存在。它并不发送开始、结束等命令，并且不会改变乐曲的速度。它提供分、秒来计算的绝对时间参考，而不是小节、拍的参考。大量的多端口MIDI接口设备都具备SMPTE/EBU时间码端口，它常用来进行读写LTC的工作，但它通常要转变成MTC，以便被相应的计算机软件所接受。音频工作站软件都是采用MTC作为同步基准，尤其是当工作站采取数字音频与MIDI相结合的工作方式时更是如此。

2.3 多路分配器

多路分配器是将单路输入的MIDI时间码数据分配到8路输出的电路。此处分配器与市面上分配器不同，市面上的分配器是指能够将1个输入数据，根据需要传送到m个输出端的任何一个输出端的电路，而此处的分配器是指能够将1个输入数据，传送到m个输出端同时输出数据的电路。本设备设置了8路输出，可以同时连接8台具有MIDI时间码接口的设备，让8台设备同时接收MIDI时间码数据，这样8台设备就可以进行同步工作了。

三、基于微处理器的设计

3.1 硬件电路设计

硬件设计需要以实际需求作为基本，对成本进行科学的控制，减少开发的难度；本次研究使用16位PIC单片机，自由灵活的定义功能可以适应不同的控制要求。而不必增加额外的IC芯片。这样电路结构很简单，开发周期将大为缩短。

时间码分配器设备用外部电源提供稳定的直流5V电压，以微处理器PIC单片机为核心，主要由主控制模块、时间码接收发送模块、数码管驱动电路以及按键扫描电路组成。

3.1.1 主控制模块

主控制模块主要是用PIC单片机作为本设备的处理器，对MIDI协议的编解码以及其他功能模块进行控制处理。对时间码芯片进行通信、控制处理；数码管的显示控制；按键扫描的处理。

3.1.2 时间码接收发送模块

时间码接收发送模块由时间码芯片、74HCT244及单片机组成。单片机实现对时间码芯片的通信，通过配置接口对其内部寄存器实现控制，从而用来处理MIDI时间码的输入输出信号，可以产生4种帧速率的时间码：24，25，29.9，30；通过SN74HCT244DW将时间码芯片的单路输出信号转换成8路输出信号，从而达到8路同步输出的目的。

3.1.3 数码管驱动电路

数码管驱动电路由74LS47、74HC595D及单片机的3个I/O口组成。74HC595D为移位寄存器，74LS47为数码管驱动显示芯片，单片机通过三个I/O口便可把要显示的数据传输到74HC595D并输出到QA—QH引脚，通过控制QA—QH引脚来控制74LS47的输出，从而实现对数码管的显示控制。此处对六个74HC595D进行级联应用来控制8个74LS47的输出，从而实现8位数码管的动态控制。

3.1.4 按键扫描电路

按键用于对时间码分配器进行各种功能性设置，例如：源选择、帧率选择、时间设置、时间加、時间减、播放/暂停、停止的功能。按键扫描电路由三行三列组成，需要用到单片机的六个I/O口。对行列按键进行扫描来判断哪个按键被操作，从而判断用户的设置。

四 结论

在采用PIC单片机进行设计过程中，注意到PIC单片机自身的特点，可尽量少走弯路，从而缩短开发周期。同样在软件设计上采用合适的方法，可以使整个程序运行稳定，而且程序空间的使用也将有所减少，避免了调试中的Bug。而本设备设计时采用了PIC单片机的自身的特点，使设计电路大大简化，从而减低了成本，减小了体积，提高了运行的稳定性和可靠性。在使用中有效的解决了各设备间协调与同步难的问题；也减少了在演出中编排与演出的人员及时间。■

参考文献

[1] 张明峰.PIC单片机入门与实践[M].北京：北京航空航天出版社，2004.