摘? 要: 結(jié)合多媒體電化教室設(shè)計、建設(shè)的實際過程，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、組成RS-232C與RS-485兩種總線標(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? 串行通信
?
1 總體設(shè)計
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人才華和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著時代的進(jìn)步，各種器材被應(yīng)用在教學(xué)中，如無線話筒、投影儀、幻燈機(jī)等，提高了教學(xué)效果；同時大量教學(xué)錄像片紛紛涌現(xiàn)，使教育飛躍了時空的限制。計算機(jī)技術(shù)的長足進(jìn)步、多媒體視頻系統(tǒng)的大量開發(fā)生產(chǎn)，為現(xiàn)代教育媒體提供了一個新的傳遞工具。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:
(1)繼承和發(fā)展了傳統(tǒng)電化教室的各種功能
在設(shè)計之前，參閱了大量的其它同類產(chǎn)品，對它們的各項功能進(jìn)行了綜合分析，并結(jié)合教學(xué)的實際要求著手開發(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現(xiàn)，同時也滿足教師在教學(xué)中新的要求。教室不僅可以用于多媒體計算機(jī)教學(xué)，還可以用于錄像教學(xué)、外語教學(xué)、學(xué)術(shù)報告等。
(2)模塊化的設(shè)計和中央控制系統(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，使電路更加簡潔明了，性能上也更加穩(wěn)定可靠。各模塊合理分工，獨立工作，組合起來成為一個整體，便于系統(tǒng)的安裝、調(diào)試，一旦出了問題也不會殃及其他模塊，提高了可靠性，而且便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。
(3)利用計算機(jī)對設(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、方便、簡單。
????教師對學(xué)生的控制信號是通過計算機(jī)來傳達(dá)的，計算機(jī)屏幕上使用WINDOWS操作平臺的圖形界面，形象地顯示各種設(shè)備的狀態(tài)，教師只需要按動鼠標(biāo)就可以進(jìn)行控制，十分直觀、方便、簡單。
2 模塊結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，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)通過串行總線與上位計算機(jī)進(jìn)行串行通訊，接收從計算機(jī)發(fā)出的控制指令，對中央控制系統(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，處理這些模塊返回的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控各模塊的狀態(tài)，與上位計算機(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)作為整個主從式多機(jī)通訊系統(tǒng)中的一個從機(jī)，通過MAX485連接在串行總線上。AT89C51的P0口用作音頻、視頻切換控制，其輸出信號經(jīng)過鎖存器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的輸出同時送到單片機(jī)的P2.0～P2.5口，用于實時檢測切換狀態(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附屬模塊，自帶鍵盤掃描和顯示驅(qū)動器，手控面板可以在脫離主控計算機(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)控及看門狗電路。
?
?
2.2 視頻切換卡
系統(tǒng)提供了四種信號源，即計算機(jī)、視頻展示臺、VCD、錄像機(jī)的視頻信號源；同時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四路視頻信號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雙向模擬開關(guān)CD4051，該芯片工作于開關(guān)穩(wěn)定導(dǎo)通時，可傳輸?shù)男盘柹舷揞l率約為40MHz。這里傳輸?shù)钠胀ǚ直媛蕪?fù)合全電視信號的帶寬最高為8MHz，該芯片可以滿足要求。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)動器的MAX470，它在增益為2V/V時，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，通過單片機(jī)的控制信號進(jìn)行輸入選擇。緩沖放大電路選用集成運放NE5532，與話筒放大信號疊加后輸出。音頻切換及話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，但每個設(shè)備帶一個遙控器，使用起來相當(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)一完成對所有設(shè)備的遙控功能。學(xué)習(xí)型遙控器通常有兩種實現(xiàn)方法，一是預(yù)先在遙控器內(nèi)存儲大量的各種型號的遙控碼，有的還能夠在線下載，使用時需要知道原遙控器的型號，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；二是主動學(xué)習(xí)遙控器的遙控碼，將碼存儲在內(nèi)部E2PROM里，發(fā)碼時將學(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，然后用這個已調(diào)載波推動紅外發(fā)光管發(fā)射紅外線。
單片機(jī)讀遙控碼可以采用查詢方式或中斷方式，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地存儲下來，就能夠發(fā)出和原碼相同的遙控碼。
遙控碼存儲在E2PROM中，發(fā)送時利用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生38K左右的載波，輸出的遙控碼通過與門對載波進(jìn)行ASK調(diào)制，利用三極管驅(qū)動紅外發(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外圍可選模塊，該模塊安裝不同的外圍器件可以實現(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、通風(fēng)狀況。
功率控制模塊也是通過RS-485總線與計算機(jī)進(jìn)行串行通訊。由一片AT89C51單片機(jī)來接收計算機(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。每一個模塊有一個獨立的地址，可以根據(jù)實際需要進(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，程序分為用戶界面層和通訊層。
用戶界面層提供形象的動態(tài)圖形用戶界面，美觀生動，方便直觀，用鼠標(biāo)操作，能達(dá)到所見即所得的效果，程序通過對通訊層的調(diào)用，實現(xiàn)對音視頻的切換、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delphi下的串行通訊控件組成。它是整個通訊過程的核心部分，由用戶界面層來調(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)，并反饋給用戶界面層，將用戶操作的結(jié)果實時反映在界面上。
?
參考文獻(xiàn)
1 陳汝全.實用微機(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.基于Windows環(huán)境的計算機(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
?