薛冬營(yíng)，楊 云，張大元

（空軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800）

0 引言

交互電視是數(shù)字電視的一種應(yīng)用，從純粹意義上講是指用戶和電視機(jī)屏幕進(jìn)行交互。電視為觀眾提供某些控制和選擇，觀眾則根據(jù)個(gè)人的好惡選擇自己喜歡的畫面、聲音。例如，觀眾可以通過電子節(jié)目單選擇其感興趣的節(jié)目，瀏覽當(dāng)前播放節(jié)目的相關(guān)信息，或者在某一特定頻道上顯示當(dāng)天所計(jì)劃播出的全部?jī)?nèi)容[1]。然而，傳統(tǒng)電視遙控器復(fù)雜度高，一直以來依靠“上、下、左、右”進(jìn)行焦點(diǎn)平移的操作，公共焦點(diǎn)控制鍵每按動(dòng)一次，焦點(diǎn)只限于按照水平或垂直2個(gè)方向逐格平移，不能在整個(gè)電視屏幕范圍內(nèi)隨意移動(dòng)，受眾不能實(shí)現(xiàn)所見即所得的互動(dòng)模式，嚴(yán)重制約了電視機(jī)屏幕內(nèi)容的表現(xiàn)能力，很大程度上制約了數(shù)字電視互動(dòng)內(nèi)容的發(fā)展[2]。

為了適應(yīng)人們對(duì)交互性的需求，各種新型電視遙控器應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[2]介紹了一款新型數(shù)字家庭空間定位電視遙控器，它通過用戶手握遙控器在空間的運(yùn)動(dòng)直接控制電視屏幕中的光標(biāo)，并用精簡(jiǎn)的按鍵實(shí)現(xiàn)豐富的互動(dòng)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)“一鍵式操控模式”。該遙控器在一定程度上解決了交互的問題，但需要用戶握住遙控器的手不停地在空間移動(dòng)，這顯然不符合人性化設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)前觸摸技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種需要交互的產(chǎn)品中，比如手機(jī)、掌上計(jì)算機(jī)、ATM柜員機(jī)以及各種查詢終端等，其良好的交互性為實(shí)現(xiàn)電視遙控交互提供了一種途徑。

筆者結(jié)合傳統(tǒng)電視遙控技術(shù)和觸摸屏技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款觸摸式電視遙控器，用戶只需用手指在觸摸屏上輕輕點(diǎn)擊就能夠輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)電視機(jī)的控制和對(duì)屏幕的操作，從而使用戶可以很方便地同電視機(jī)屏幕進(jìn)行交互，真正做到了人機(jī)交互的人性化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成模塊及功能

觸摸式電視遙控器的系統(tǒng)組成如圖1所示，包括電源模塊、觸摸顯示模塊、控制模塊和通信模塊。

電源模塊是遙控器正常工作的能源基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)采用鋰離子電池，并配有備用電池。遙控器自帶充電插頭，當(dāng)鋰離子電池電量過低時(shí)，啟動(dòng)備用電池，同時(shí)低電指示燈被點(diǎn)亮，提示用戶及時(shí)充電。備用電池電量不足時(shí)，則會(huì)在閑置狀態(tài)下通過鋰離子電池進(jìn)行充電。

觸摸顯示模塊包括觸摸屏和顯示屏。觸摸屏由觸摸檢測(cè)部件和觸摸屏控制器組成，觸模檢測(cè)部件安裝在LCD顯示器屏幕前面，用于檢測(cè)用戶的觸摸，接收后送至觸摸屏控制器。而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點(diǎn)檢測(cè)裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)，再送給微處理器[3]。顯示器上除了各種圖形按鍵外，還有一塊特殊區(qū)域，它的顯示與電視機(jī)屏幕相同。當(dāng)正常觀看節(jié)目時(shí)，它只顯示節(jié)目信息，而在進(jìn)行設(shè)置或選擇等操作時(shí)，則會(huì)與電視機(jī)屏幕顯示相同的畫面，用戶可以通過觸摸點(diǎn)擊方便地進(jìn)行設(shè)置或選擇。

控制模塊的核心是嵌入式微處理器，其功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，另外還要存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，處理異常中斷等。以其對(duì)觸摸顯示模塊的控制為例，它不但要控制顯示器的顯示和更新，還要處理觸摸屏的輸入信息。當(dāng)觸摸屏上有信號(hào)輸入時(shí)，控制模塊對(duì)其進(jìn)行編碼后傳向發(fā)射器；而當(dāng)電視屏幕信息發(fā)生變化時(shí)，遙控器接收新的屏幕信息并由控制模塊解碼后，用來完成顯示器的實(shí)時(shí)更新。

通信模塊主要進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，遙控器中的收發(fā)單元發(fā)送控制信號(hào)、接收數(shù)據(jù)信息，而主機(jī)中的收發(fā)單元?jiǎng)t是接收控制信號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)信息?？刂菩盘?hào)是用戶的輸入信息經(jīng)控制模塊處理后產(chǎn)生的，用于控制電視機(jī)的行為和屏幕的顯示，數(shù)據(jù)信息主要是與電視機(jī)屏幕顯示有關(guān)的信息和一些電視節(jié)目的頻道信息等。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

觸摸式電視遙控器硬件框圖如圖2所示，各模塊所選硬件介紹如下。

圖2 觸摸式交互電視遙控器硬件框圖

首先是觸摸屏的選擇，本系統(tǒng)采用五線電阻式觸摸屏。該種觸摸屏結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作環(huán)境與外界完全隔離，不怕灰塵、水汽和油污，可以用任何物體來觸摸。與四線式相比，五線式觸摸屏具有更高的可靠性、耐用性和精度。觸摸屏控制器采用專門用于五線式電阻屏的ADS7845，它是一款具有12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的同步串行接口芯片。在125 kHz轉(zhuǎn)換速率和2.7 V電壓下的功耗為750 μW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5 μW。因此，ADS7845以其低功耗高速率的特性，被廣泛應(yīng)用在小型手持設(shè)備觸摸屏上。ADS7845采用SSOP-16引腳封裝形式，溫度范圍是-40～+85℃[4]。

電源模塊采用單節(jié)鋰離子電池和備用紐扣鋰電池為系統(tǒng)供電，此處涉及到電源管理和充電管理，需要有專門的芯片來完成。充電管理采用凌特公司的LTC4065芯片，如圖3所示，LTC4065是一款用于單節(jié)鋰離子電池的完整恒定電流/恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達(dá)750 mA且準(zhǔn)確度為5%的可設(shè)置的充電電流，并支持直接使用USB端口對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。電源管理則采用LTC3407-2芯片，如圖4所示，它是一款雙輸出、高效率、2.25 MHz恒定頻率、同步降壓型轉(zhuǎn)換器電源芯片。輸入電壓范圍為2.5～5.5 V，能夠產(chǎn)生2個(gè)0.6～5 V的獨(dú)立輸出電壓，能夠從2個(gè)不同的通道提供高達(dá)800 mA的持續(xù)輸出電流，非常適合應(yīng)用于單節(jié)鋰離子電池的管理。

控制模塊的核心芯片采用三星公司S3C44BOX微處理器，它是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66 MHz。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片內(nèi)還集成了下列部件：8 kbyte存儲(chǔ)，外部存儲(chǔ)器控制器，LCD控制器，4個(gè)DMA通道，2通道UART，1個(gè)I2C總線控制器，1個(gè)I2S總線控制器，以及5通道PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，71個(gè)通用I/O口，8個(gè)外部中斷源，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，8通道12位ADC等。

圖5所示為信號(hào)發(fā)送單元使用的紅外發(fā)射電路[5]，主要包括紅外發(fā)射管和與門74LS08。信號(hào)經(jīng)過放大后由紅外發(fā)射二極管發(fā)送，與紅外發(fā)射二極管并聯(lián)的發(fā)光二極管在有發(fā)碼時(shí)點(diǎn)亮，起到指示作用。

圖5 紅外發(fā)射電路

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

觸摸式電視遙控器軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，其開發(fā)平臺(tái)自底向上依次為：U-Boot（Universial Boot Loader），Linux，MiniGUI和應(yīng)用程序。U-Boot的開發(fā)目標(biāo)是支持盡可能多的嵌入式處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)加電或復(fù)位后，首先運(yùn)行U-Boot，U-Boot從Flash中將Linux內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)讀入系統(tǒng)內(nèi)存中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中的Linux內(nèi)核入口，將控制權(quán)交給Linux。MiniGUI是我國自主開發(fā)的一個(gè)面向基于Linux的嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)，它采用微客戶端/服務(wù)器模式來提供對(duì)多進(jìn)程的支持，集成了多字體和多字符集。MiniGUI采用分層設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)，通過修改最底層的GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）移植到遙控器平臺(tái)上。

圖6 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)功能由系統(tǒng)總控程序調(diào)用各子程序模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)程序主要包括系統(tǒng)主程序和系統(tǒng)初始化程序。主程序又包括電源管理子程序、顯示子程序、觸摸屏控制子程序、指令編碼子程序、收發(fā)子程序以及中斷處理子程序，初始化程序則要完成顯示器、通信接口、電源模塊等的初始化過程。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 觸摸屏技術(shù)

觸摸屏技術(shù)（Touch Screen Technology）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為了滿足非專業(yè)計(jì)算機(jī)用戶操作計(jì)算機(jī)的需要而逐漸成熟與發(fā)展起來的[6]。觸摸式電視遙控器利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)手指的位置跟蹤，不但定位精確，而且操作方便。

觸摸屏本質(zhì)上是傳感技術(shù)，根據(jù)傳感器的類型，可將觸摸屏分為4類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外線式觸摸屏和表面聲波觸摸屏。它們的性能比較如表1所示。

表1 觸摸屏性能比較

從以上比較可以看出，電阻式觸摸屏具有適合小屏幕的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和較高的靈敏性和經(jīng)濟(jì)性，最適合應(yīng)用于觸摸式電視遙控器。

2.2 無線通信技術(shù)

紅外無線通信具有低功耗、低價(jià)格、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點(diǎn)，在無線通信中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。雖然其有效傳輸距離較短，但對(duì)于電視遙控器來說已經(jīng)足夠用了。因此，觸摸式電視遙控器采用該技術(shù)向電視傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無線通信。

其他常用的無線通信技術(shù)主要有27 MHz技術(shù)、2.4 GHz無線技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)等。然而它們都不適合用于遙控器，原因在于：27 MHz技術(shù)無線安全級(jí)別較低；2.4 GHz無線技術(shù)不同產(chǎn)品的接收端和發(fā)送端之間不能通用；而藍(lán)牙技術(shù)的成本太高。

2.3 遙控技術(shù)

紅外遙控技術(shù)是紅外技術(shù)、紅外通信技術(shù)和遙控技術(shù)的結(jié)合，其工作原理如下：遙控信號(hào)編碼發(fā)送器用以產(chǎn)生遙控編碼脈沖，經(jīng)過載波調(diào)制，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號(hào)，紅外接收器完成對(duì)遙控信號(hào)的放大、檢波、整形，并調(diào)制出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組組連續(xù)的串行二進(jìn)制碼。對(duì)于一般的遙控系統(tǒng)，此串行碼作為微控制器的遙控輸入信號(hào)，由其內(nèi)部CPU完成解碼[8]。

紅外遙控是目前家用電器中用得較多的遙控方式，適合應(yīng)用于觸摸式電視遙控器。紅外遙控的特點(diǎn)是不影響周邊環(huán)境、不干擾其他電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，所以各個(gè)房間的家用電器使用通用的遙控器而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。另外，它還可以進(jìn)行多路遙控[9]。

3 小結(jié)

數(shù)字電視是電視發(fā)展的必然趨勢(shì)，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，大屏幕、高清晰、多功能、互動(dòng)性的交互電視將成為數(shù)字電視的主導(dǎo)方向。因此，設(shè)計(jì)研究適用于交互電視的遙控器勢(shì)在必行，意義重大。

本文所設(shè)計(jì)的觸摸式電視遙控器主要特點(diǎn)在于將電視機(jī)屏幕信息移植到遙控器上，并能夠進(jìn)行觸摸式操作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程觸摸式控制。而且遙控器和電視機(jī)之間不再是單方向的控制，而是會(huì)相互影響。設(shè)計(jì)比較人性化，操作也比較簡(jiǎn)單，基本上能夠滿足現(xiàn)階段的需要。但是隨著人們的需求越來越多，交互電視的功能也將越來越多，人機(jī)交互操作也會(huì)更加復(fù)雜。因此，還需要設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)、操作更方便和更加人性化的遙控設(shè)備，這也將是筆者下階段努力的方向。

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