摘 要:針對教育現代化對多媒體設備需求的不斷增加，設計了一套功能全面、經濟實用的多媒體教學播放控制系統(tǒng)。以51單片機作為中央控制器，利用RS 485總線將教室終端和節(jié)目源設備聯(lián)合起來，中央控制器接收并執(zhí)行總控計算機的命令，將節(jié)目源分配給不同的終端，各個終端可以對節(jié)目源進行遠程控制，從而實現多媒體教學系統(tǒng)的集中管理和遠程控制，達到輔助教學的目的。另增加備用鍵盤，以便在發(fā)生故障時取代PC機的功能，實現系統(tǒng)保護。

關鍵詞:中央控制器; 終端控制器; 節(jié)目源控制器; 串口擴展

中圖分類號:TP336 文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)12-0141-03

Research and Design of Multimedia Teaching Playback Control System

HE Hua， SHEN Jie

(Shandong College of Electronic Technology， Jinan 250014， China)

Abstract:A set of full-featured， economical and practical multimedia teaching playback control system was designed based on the modernization of education for the increasing demand on multimedia devices. Making 51 microcontroller as the central controller， combining classroom terminals with program source equipments by RS485 bus， receiving and implementing the overall control computer commands by the central controller， assigning the program source to different terminals， the program source can be remotely controlled by each terminal， so that multi-media teaching system can achieve centralized management and remote control to support aided teaching. The spare keyboard was prepared to replace the function of PC in the event of failure and realize the system protection.

Keywords:central controller; terminal controller; program source controller; extension of serial port

0 引 言

隨著多媒體技術和網絡技術的飛速發(fā)展，教育信息化已經成為現代教育發(fā)展的主要方向。多媒體教學系統(tǒng)因其充分利用豐富的教學資源、靈活生動的教學方式等優(yōu)點而得到廣泛的應用。多媒體教學系統(tǒng)是在原有的單向閉路電視基礎上，利用現代的多媒體技術、通信技術以及圖像傳輸技術，同時增加了交互式控制功能的一種多媒體系統(tǒng)。此系統(tǒng)使學校的多種多媒體教學設備集中管理、集中使用，軟硬件資源共享，從而節(jié)省資源。此外，它還可以與校園計算機網、遠程教育網、國際互聯(lián)網相聯(lián)，享受更豐富的網絡資源。

1 多媒體教學系統(tǒng)設計方案

一套完整的多媒體教學系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示。其中虛框部分標出的是它的控制系統(tǒng)，主要由總控計算機、中央控制器、教室終端控制器和節(jié)目源控制器4個部分組成。

控制信號的傳輸主要由2路組成:第一路是對節(jié)目源的控制，終端控制器接收紅外遙控器的控制請求，將其傳送給中央控制器，然后由中央控制器通過節(jié)目源控制器，實現對節(jié)目源設備的遠程控制;第二路是中央控制器接受來自總控計算機或鍵盤的命令，完成播放終端和節(jié)目源之間對應關系的設置。

圖1 多媒體教學系統(tǒng)設計方案

2 硬件系統(tǒng)

2.1 中央控制器的設計

中央控制器主要由微處理器及其外圍電路組成，其框圖如圖2所示。微處理器采用Atmel公司的AT89C51。AT89C51單片機只具有1個串行口，故選用成都國騰微電子有限公司的GM8123，將串口擴展到3個。該系統(tǒng)采用GM8123的單通道模式，即MS=1，三個子串口分時工作，芯片的工作無需初始化設置，只由地址線選擇相應的串口即可。MS直接接高電平，RST引腳接在單片機P3.2口上，STADD0和SRADD0與P0.0口連接作為子串口地址選擇線0，STADD1和SRADD1與P0.1口連接作為子串口地址選擇線1。

另外系統(tǒng)擴展了1片可在線擦寫的非易失性程序存儲器AT24C02;為防止程序跑飛，采用了IMP公司的看門狗芯片IMP813L;為減少查詢鍵盤和掃描LED對單片機資源的占用，采用廣州周立功公司的鍵盤和LED管理芯片ZLG7289A。

圖2 中央控制器結構框圖

2.2 中央控制器與總控計算機的接口

PC機與中央控制器的通信屬于近程通信，可用PC機自帶的COM口與單片機的串口相連進行串行通信。采用MAXIM公司的低功耗、單電源的MAX202芯片作為電平轉換芯片，單片機與PC機的連接電路圖如圖3所示。

圖3 單片機與PC機連接電路圖

2.3 中央控制器與終端控制器、節(jié)目源控制器的接口

中央控制器與終端控制器、節(jié)目源控制器之間采用RS 485總線接口方式，并采用可以驅動128個標準RS 485負載的MAX1487，以滿足系統(tǒng)要求。RS 485是一種抗干擾能力強，能有效延伸數據傳輸距離，便于實現多機通信的串行半雙工通信方式。

圖4為輸入電路，采用光電耦合器TLP521實現信號的電氣隔離，P1.0作為MAX1487的控制引腳，由于上電時單片機I/O口輸出高電平，圖4的接法保證了上電時MAX1487處于接收狀態(tài)(DE，RE引腳為低電平)，防止各個收發(fā)器都處于發(fā)送狀態(tài)造成網絡瞬間出現混亂的情況。圖5為輸出電路，G7，G8，G9為玻璃放電管，起到一級抗雷擊或抑制其他情況的瞬態(tài)高壓作用，G7差模保護，G8，G9共模保護，2個瞬態(tài)電壓抑制器作為二級保護，將芯片引腳的電壓抑制到安全范圍?？偩€上串聯(lián)20 Ω電阻一方面起到限流電阻的作用，另一方面是為了使某個收發(fā)器在芯片被意外擊穿短路的情況下對總線仍保持一定的阻抗，而不至于造成整個網絡無法通信。

圖4 RS 485收發(fā)電路(一)

圖5 RS 485收發(fā)電路(二)

2.4 終端控制器和節(jié)目源控制器的設計

終端控制器主要負責接收紅外遙控器的命令，在中央控制器查詢本機狀態(tài)時將命令通過RS 485網絡發(fā)送給中央控制器。它在硬件上主要包括紅外接收電路、地址設置開關、與中央控制器通信的RS 485收發(fā)電路、電源、電源檢測及看門狗電路等。終端控制器采用Atmel公司的小型單片機AT89C2051，電源、看門狗電路、RS 485收發(fā)電路以及時鐘電路都與中央控制器采用相同的方案。

每個終端控制器都有1個惟一的地址，這個地址是用戶通過撥碼開關設置的。其中，撥碼開關共8位，分別連接到P1的8個端口上，開關閉合時相應位為“0”，打開時為“1”，總共可以組合為256個地址，該系統(tǒng)共用到前128個，剩余部分可用作以后系統(tǒng)擴展。

紅外遙控接收電路采用一體化的紅外接收頭NB0038，中心頻率為38 kHz。采用的調制方式為PWM調制，其編碼格式如圖6所示。

圖6 本系統(tǒng)所用紅外遙控編碼格式

節(jié)目源控制器主要負責接收中央控制器的命令，并以紅外方式控制節(jié)目源設備，實現節(jié)目的播放、停止等動作。節(jié)目源控制器硬件結構與終端控制器相似，在電路上只需將終端控制器中的紅外接收電路改為紅外發(fā)射電路即可。節(jié)目源控制器也采用AT89C2051，紅外發(fā)射管采用NEC公司的SE303A。紅外編碼同圖6，用單片機定時器產生約38 kHz的調制波。該系統(tǒng)節(jié)目源數量為16個，編號為0x00~0x0f。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 中央控制器軟件設計

中央控制器主程序的作用是對系統(tǒng)進行初始化，檢測輸入信號并根據信號調度不同模塊，實現對各終端控制器的輪詢和對節(jié)目源控制器的控制，中斷服務程序實現對鍵盤的響應和LED的顯示設置。

(1) 初始化模塊設計

定時器的初始化:定時器T1是用于串行口波特率的發(fā)生器，對其進行初始化，以確定單片機串行通信的速率。

串口擴展芯片GM8123的初始化:由于采用單通道模式，只需將GM8123芯片復位就可以。

中斷初始化:打開外部中斷0，以便響應鍵盤中斷。

串行接口芯片的初始化:不論是與終端控制器相連的MAX1487還是與節(jié)目源控制器相連的MAX1487，在系統(tǒng)的開始必須都初始化為接收狀態(tài)，只有在接收到單片機發(fā)送命令時才將其設置為發(fā)送狀態(tài)。

(2) 與PC機的通信模塊

PC機與單片機的通信主要是為了完成節(jié)目源與終端控制器對應關系的設置。兩者通信的軟件協(xié)議為:通信雙方均采用9 600 b/s波特的速率傳送;PC機發(fā)出設置信號，單片機查詢到串口中斷標志位后開始接收PC機傳來的設置命令;單片機返送給PC機的狀態(tài)信號，EE表示“出錯”;FF 表示“一對設置完成”。

(3) 鍵盤設置模塊

作為一個備用設備，鍵盤只是在總控計算機出現故障時使用，用來設置節(jié)目源與教室終端的對應關系，此功能在外部中斷服務子程序中實現，避免正常工作情況下查詢鍵盤狀態(tài)對CPU資源的占用。

該系統(tǒng)目前應用16個按鍵，分為數字鍵和功能鍵。當系統(tǒng)監(jiān)測到鍵盤的“設置”信號時，進入設置狀態(tài)。為使顯示醒目，設置的當前位數碼管設置為閃爍狀態(tài)，只有當前位設置正確，才能進入下一位的設置，“前”、“后”功能鍵可以用來選擇需要修改的當前位。一組對應關系設置完成之后，按“確認”鍵確認本次設置，但只有程序判斷節(jié)目源和終端的號碼在合法范圍之內(節(jié)目源號為00~15，終端號為000~127)才保存本次設置，否則本次設置無效。按“取消”鍵表示本次設置無效，不予保存，系統(tǒng)進入下一組的設置。任何時候按下“結束”鍵結束鍵盤設置狀態(tài)，退出中斷，返回主程序。

(4) 終端輪詢模塊

該模塊完成與終端控制器的通信和對節(jié)目源控制器的控制。該系統(tǒng)的中央控制器要與128個終端控制器，16路節(jié)目源控制器進行通信，為避免發(fā)生沖突丟失信號，禁止各終端控制器對發(fā)送的控制權，統(tǒng)一由中央控制器授權進行發(fā)送或接收。中央控制器采用授權方式是按照順序依次詢問各終端是否有數據要發(fā)送，有則暫時停止詢問，接收此終端發(fā)送的數據并進行相應的處理;沒有，則繼續(xù)詢問。這種輪詢方式的軟件實現是以多機通信為基礎的，還要配合一些多機通信協(xié)議。

3.2 終端控制器軟件設計

終端控制器與中央控制器的通信在串口中斷服務子程序中實現;紅外解碼功能在外部中斷0服務子程序中實現。因此主程序任務比較簡單，只需完成系統(tǒng)的初始化，然后進入等待狀態(tài)即可。

終端控制器與中央控制器通信采用的是主機查詢、從機中斷的方式。每次通信結束時發(fā)送準備就緒標志都被清零，以防止下次中斷后命令重復發(fā)送。數據接收完成之后，數據的處理工作(在程序中為process_data()函數)是指中央控制器將遙控命令發(fā)送給對應的節(jié)目源控制器，實現終端對節(jié)目源的遠程控制。

3.3 節(jié)目源控制器軟件設計

中央控制器與節(jié)目源控制器也是主/從關系，但中央控制器不需要在主程序中去輪詢節(jié)目源控制器，只有在中央控制器收到來自終端控制器的相關請求時，才向對應的節(jié)目源控制器發(fā)出命令，節(jié)目源控制器將接收到的命令轉化為紅外信號，實現對節(jié)目源的控制。節(jié)目源控制器在串口中斷服務程序中處理中央控制器的命令，在主程序中實現紅外編碼和發(fā)射。遙控命令的編碼和發(fā)射是在子函數send_data()中實現的，采用PWM編碼格式，38 kHz的載波信號由定時器0工作在方式2下利用中斷實現。

4 結 語

該設計采用模塊化的方法實現了多媒體教學播放控制系統(tǒng)，以51單片機作為控制器，利用基于RS 485總線將多媒體教學系統(tǒng)中的教室終端和總控制室內的節(jié)目源設備聯(lián)合起來，形成“集中控制、分散使用”的一套完整系統(tǒng)。設計過程充分考慮了系統(tǒng)的安全性、可靠性以及經濟成本，在使用過程中各個模塊均可分別安裝和調試，并可以進一步擴展和升級。

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