基于单片机和模块化技术实现多媒体教室控制系统的设计
作者：余刚，冯林，吴振宇，孙志伟
1 总体设计
传统的课堂教学模式是教师采用口授的方法，使用黑板、粉笔；学生面对的是老师、教材和黑板。这种教学形式单一，教学效果很大程度上取决于老师的个人才华和学生的学习兴趣。随着时代的进步，各种器材被应用在教学中？如无线话筒、投影仪、幻灯机等，提高了教学效果；同时大量教学录像片纷纷涌现，使教育飞跃了时空的限制。计算机技术的长足进步、多媒体视频系统的大量开发生产，为现代教育媒体提供了一个新的传递工具。本多媒体教室控制系统就是这方面的典型应用之一，它具有如下显著特点：
（1）继承和发展了传统电化教室的各种功能
在设计之前，参阅了大量的其它同类产品，对它们的各项功能进行了综合分析，并结合教学的实际要求着手开发和研制各种功能，力求教学中的各种功能逐一不漏地实现，同时也满足教师在教学中新的要求。教室不仅可以用于多媒体计算机教学，还可以用于录像教学、外语教学、学术报告等。
（2）模块化的设计和中央控制系统使产品性能稳定可靠、易于扩展
在通信和控制上使用单片机，使控制电路一改传统的方法，使电路更加简洁明了，性能上也更加稳定可靠。各模块合理分工，独立工作，组合起来成为一个整体，便于系统的安装、调试，一旦出了问题也不会殃及其他模块，提高了可靠性，而且便于系统的扩展和升级。
（3）利用计算机对设备、窗帘、灯光等辅助设施进行控制，配套的图形界面软件使操作直观、方便、简单。
教师对学生的控制信号是通过计算机来传达的，计算机屏幕上使用windows操作平台的图形界面，形象地显示各种设备的状态，教师只需要按动鼠标就可以进行控制，十分直观、方便、简单。
2 模块结构
系统采用模块化设计，由中央控制及串行接口卡、视频切换卡、音频切换卡、学习型遥控器、功率控制模块和上位机控制软件等六部分组成，系统框图如图1所示。
2.1 中央控制及串行接口
单片机通过串行总线与上位计算机进行串行通讯，接收从计算机发出的控制指令，对中央控制系统内的视频切换、音频切换、功率控制等模块发出控制信号，处理这些模块返回的数据，实时监控各模块的状态，与上位计算机完成数据指令的交换。
中央控制部分电路原理图如图2所示，采用at89c51单片机作为整个主从式多机通讯系统中的一个从机，通过max485连接在串行总线上。at89c51的p0口用作音频、视频切换控制，其输出信号经过锁存器74hc373锁存？再经光耦tlp521-4进行隔离后输出到音频、视频切换卡；74hc373的输出同时送到单片机的p2.0~p2.5口，用于实时检测切换状态是否正确；p2.6、p2.7为电子音量电位器的控制输出，经光耦隔离后控制电子音量，电位器x9241控制系统总音量；p1.0~p1.2是手控面板接口，手控面板是中央控制器外的一个附属模块，自带键盘扫描和显示驱动器，手控面板可以在脱离主控计算机的情况下，操作中央控制器完成全部控制功能；p1口和p3口另有六路音频、视频切换状态指示灯接口，用以指示当前的切换状态；imp813l为电源监控及看门狗电路。
2.2 视频切换卡
系统提供了四种信号源，即计算机、视频展示台、vcd、录像机的视频信号源；同时还提供了大屏幕投影、监视器、录像机等三种视频输出方式。视频切换卡就是完成对四路视频信号源的选择切换和三路输出的分配工作。
视频切换选用八选一cmos双向模拟开关cd4051，该芯片工作于开关稳定导通时，可传输的信号上限频率约为40mhz。这里传输的普通分辨率复合全电视信号的带宽最高为8mhz，该芯片可以满足要求。视频分配放大采用maxim公司的具有四路视频缓冲器和同轴电缆驱动器的max470，它在增益为2v/v时，具有90mhz的可用增益带宽和300v/μs的转换速率，应用电路简单、稳定可靠。
2.3 音频切换卡
音频切换卡提供了八路音频输入，经过输入网络、切换、缓冲放大后分三路输出。音频切换采用两片cd4051分别做左右声道的切换，通过单片机的控制信号进行输入选择。缓冲放大电路选用集成运放ne5532，与话筒放大信号叠加后输出。音频切换及话筒混合放大电路原理图如图3所示。
2.4 学习型遥控器
投影机、录像机、dvd、功放等各种音视频设备都采用了遥控，但每个设备带一个遥控器，使用起来相当麻烦，这里的学习型遥控器就是为了在中央控制系统中统一完成对所有设备的遥控功能。学习型遥控器通常有两种实现方法，一是预先在遥控器内存储大量的各种型号的遥控码，有的还能够在线下载，使用时需要知道原遥控器的型号，学习型遥控器就可以发出和原遥控器相同的遥控码；二是主动学习遥控器的遥控码，将码存储在内部e2prom里，发码时将学习到的遥控码按相同的格式和码形发出。我们采用第二种方案。
红外遥控器发射的红外编码是用经过数字调制的数字脉冲去调制固定频率的载波电流的通断，产生已调载波，然后用这个已调载波推动红外发光管发射红外线。
单片机读遥控码可以采用查询方式或中断方式，尽管不同的遥控器有脉冲宽度调制？pwm 、脉冲位置调制？ppm 、脉宽－脉位调制？pwm-ppm 等不同的调制方式，有不同的起始位、停止位和连发的编码方式，但只要将接收到的码形原封不动地存储下来，就能够发出和原码相同的遥控码。
遥控码存储在e2prom中，发送时利用单片机的定时器产生38k左右的载波，输出的遥控码通过与门对载波进行ask调制，利用三极管驱动红外发射管即可完成学习型遥控器的发射。
2.5 功率控制模块
功率控制模块是中央控制器的一个外围可选模块，该模块安装不同的外围器件可以实现电源控制、灯光控制、幕帘窗帘控制等不同的功能，以辅助控制室内的光线、通风状况。
功率控制模块也是通过rs-485总线与计算机进行串行通讯。由一片at89c51单片机来接收计算机发出的控制指令，控制双向可控硅的导通和截止，用相同的电路通过外接继电器、电机等不同的负载可以方便地控制日光灯、窗帘等不同的设备。每一个模块有一个独立的地址，可以根据实际需要进行扩充。
2.6 上位机控制软件
上位机控制软件由delphi编写，程序分为用户界面层和通讯层。
用户界面层提供形象的动态图形用户界面，美观生动，方便直观，用鼠标操作，能达到所见即所得的效果，程序通过对通讯层的调用，实现对音视频的切换、音量调节、设备遥控、灯光、幕帘窗帘的控制、电子黑板等所有功能。
通讯层由一个delphi下的串行通讯控件组成。它是整个通讯过程的核心部分，由用户界面层来调用，完成与下位机的串行通讯，按照预先规定好的通讯协议，发出控制指令，接收和监控下位机返回的状态，并反馈给用户界面层，将用户操作的结果实时反映在界面上。
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（1）继承和发展了传统电化教室的各种功能
在设计之前，参阅了大量的其它同类产品，对它们的各项功能进行了综合分析，并结合教学的实际要求着手开发和研制各种功能，力求教学中的各种功能逐一不漏地实现，同时也满足教师在教学中新的要求。教室不仅可以用于多媒体计算机教学，还可以用于录像教学、外语教学、学术报告等。
（2）模块化的设计和中央控制系统使产品性能稳定可靠、易于扩展
在通信和控制上使用单片机，使控制电路一改传统的方法，使电路更加简洁明了，性能上也更加稳定可靠。各模块合理分工，独立工作，组合起来成为一个整体，便于系统的安装、调试，一旦出了问题也不会殃及其他模块，提高了可靠性，而且便于系统的扩展和升级。
（3）利用计算机对设备、窗帘、灯光等辅助设施进行控制，配套的图形界面软件使操作直观、方便、简单。
教师对学生的控制信号是通过计算机来传达的，计算机屏幕上使用windows操作平台的图形界面，形象地显示各种设备的状态，教师只需要按动鼠标就可以进行控制，十分直观、方便、简单。
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系统采用模块化设计，由中央控制及串行接口卡、视频切换卡、音频切换卡、学习型遥控器、功率控制模块和上位机控制软件等六部分组成，系统框图如图1所示。
2.1 中央控制及串行接口
单片机通过串行总线与上位计算机进行串行通讯，接收从计算机发出的控制指令，对中央控制系统内的视频切换、音频切换、功率控制等模块发出控制信号，处理这些模块返回的数据，实时监控各模块的状态，与上位计算机完成数据指令的交换。
中央控制部分电路原理图如图2所示，采用at89c51单片机作为整个主从式多机通讯系统中的一个从机，通过max485连接在串行总线上。at89c51的p0口用作音频、视频切换控制，其输出信号经过锁存器74hc373锁存？再经光耦tlp521-4进行隔离后输出到音频、视频切换卡；74hc373的输出同时送到单片机的p2.0~p2.5口，用于实时检测切换状态是否正确；p2.6、p2.7为电子音量电位器的控制输出，经光耦隔离后控制电子音量，电位器x9241控制系统总音量；p1.0~p1.2是手控面板接口，手控面板是中央控制器外的一个附属模块，自带键盘扫描和显示驱动器，手控面板可以在脱离主控计算机的情况下，操作中央控制器完成全部控制功能；p1口和p3口另有六路音频、视频切换状态指示灯接口，用以指示当前的切换状态；imp813l为电源监控及看门狗电路。
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系统提供了四种信号源，即计算机、视频展示台、vcd、录像机的视频信号源；同时还提供了大屏幕投影、监视器、录像机等三种视频输出方式。视频切换卡就是完成对四路视频信号源的选择切换和三路输出的分配工作。
视频切换选用八选一cmos双向模拟开关cd4051，该芯片工作于开关稳定导通时，可传输的信号上限频率约为40mhz。这里传输的普通分辨率复合全电视信号的带宽最高为8mhz，该芯片可以满足要求。视频分配放大采用maxim公司的具有四路视频缓冲器和同轴电缆驱动器的max470，它在增益为2v/v时，具有90mhz的可用增益带宽和300v/μs的转换速率，应用电路简单、稳定可靠。
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