張紅升， 朱仁義， 王國裕， 潘 超

(重慶郵電大學 微電子工程重點實驗室，重慶 400065)

·專題研討——虛擬仿真實驗(42)·

基于數(shù)字多媒體廣播的考場同步時鐘設(shè)計

張紅升， 朱仁義， 王國裕， 潘 超

(重慶郵電大學 微電子工程重點實驗室，重慶 400065)

基于數(shù)字多媒體廣播(DMB)技術(shù)，設(shè)計了一款LED數(shù)字同步時鐘。該時鐘可實時接收DMB信號，解碼出時間基準，并驅(qū)動LED點陣屏顯示，所有時鐘同步誤差不超過1 s。除顯示時間外，還可作為考場DMB接收機的信息顯示終端，提供信號強度、告警等提示。與傳統(tǒng)考場時鐘相比，成本更低，同步性更好，更容易管理和維護，為現(xiàn)代化考場建設(shè)提供了新的信息化同步時鐘解決方案。

數(shù)字多媒體廣播； 同步時鐘； 考試時鐘

0 引 言

同步時鐘是現(xiàn)代化教室的重要教學設(shè)備，為各類教學活動提供精確的時間參考。特別是在大型考試中，所有考場在時間上嚴格同步直接體現(xiàn)著考試的公平性和規(guī)范性。因此，同步時鐘已成為標準化考場的必配設(shè)備[1]。

現(xiàn)有的考場時鐘主要包括石英鐘、光電鐘、電波鐘等。石英鐘和光電鐘是常規(guī)的時鐘，具有成本低、功耗小的優(yōu)勢，但精度低，不能自動校時，運行一段時間后，必須人工重新校準，耗時耗力，且所有考場無法嚴格同步。電波鐘是目前大多數(shù)考場使用的方案，它由位于河南商丘的國家授時中心通過長波發(fā)出標準時間信息[2]，在每個鐘表內(nèi)通過無線接收模塊，對長波信號進行解調(diào)，獲取時間信息[3]。電波鐘的優(yōu)勢是信號傳播遠，可以在較大地理范圍內(nèi)實現(xiàn)同步。但我國幅員遼闊，很多地區(qū)信號非常微弱，再加上環(huán)境、氣象等因素的影響(例如手機、電腦、熒光燈等都極易產(chǎn)生干擾電波)，使得許多考場的電波鐘實際上根本無法自動校時。此外，上述時鐘大都采用電池供電，需要定期更換，給日常維護帶來麻煩。也有學者提出基于GPS的同步時鐘[4-6]，但是GPS同樣存在室內(nèi)信號弱和易受干擾的問題。還有學者提出利用裝置接收GPS時間，再遙控教室內(nèi)的時鐘進行校時[7]，但這需要逐間教室操作，增加了管理的工作量。

近年來，以數(shù)字多媒體廣播(Digital Multimedia Broadcasting,DMB)[8-9]為核心的信息發(fā)布技術(shù)在高校中逐漸得到應用[10]。DMB非常適用于大型考試，音質(zhì)不僅達到CD級別，而且內(nèi)容可以編碼，保密性好。除聲音外，DMB還可以播發(fā)視頻、圖片、數(shù)據(jù)等信息[11]。一套DMB系統(tǒng)即可滿足考場信息播報的所有要求。

DMB是完全數(shù)字化的廣播系統(tǒng)，在發(fā)射信號中包含了精確的時間基準。因此，接收機完全可以利用這一信息，實現(xiàn)所有終端之間的精確時間同步。在已安裝數(shù)字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting,DAB)系統(tǒng)的學校，只需在已有接收機上增加時間顯示裝置即可，投入很低。同時，DMB同步數(shù)字時鐘還具有如下優(yōu)點：可借助DMB接收器直接供電，無需更換電池；抗干擾能力強；精準度高，同步性好；功能更多，除時間外，還可以顯示其他信息。

本文介紹DMB同步時鐘的設(shè)計方案。首先介紹系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上介紹同步接收和時間顯示的設(shè)計，最后給出實驗結(jié)果和結(jié)論。

1 系統(tǒng)原理

圖1所示為含有精確時鐘信息的DMB發(fā)射系統(tǒng)示意圖。各路音頻、視頻、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)內(nèi)容經(jīng)過信道編碼后復用在一起，形成DMB主業(yè)務(wù)通道(MSC，Main Service Channel)數(shù)據(jù)流。每24 ms的MSC數(shù)據(jù)和快速業(yè)務(wù)通道(FIC，F(xiàn)ast Information Channel)數(shù)據(jù)(包括節(jié)目配置信息、GPS時間信息等)一起合成為DMB傳輸幀。該傳輸幀經(jīng)過1536載波的OFDM調(diào)制后形成DMB基帶信號?；鶐盘栐俳?jīng)上變頻和濾波放大后轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號發(fā)射出去[12]。

圖1 DMB發(fā)射系統(tǒng)示意圖

圖2所示為面向考場應用的DMB接收終端示意圖。圖中DMB接收模塊負責DMB信號的調(diào)諧、解調(diào)和音頻解碼，最終輸出兩路信號。其中一路為CD級的聲音(如英語聽力內(nèi)容、考場規(guī)則等)，驅(qū)動喇叭播放；另一路為包含了時間信息的數(shù)據(jù)包，驅(qū)動并不斷校準LED屏顯示時間。由于DMB終端全都接收同一個DMB發(fā)射臺的信息，故所有終端時間將保持嚴格同步。并且，由于DMB發(fā)射信號將持續(xù)校準終端時間，故能有效避免由于終端本振不準所帶來的累計誤差。

圖2 DMB接收終端示意圖

2 時間基準信息的發(fā)送

圖1中的FIC數(shù)據(jù)包括了每個主業(yè)務(wù)成分在傳輸幀的起止位置、編碼方法、保護等級等配置信息，這是接收端能夠正確解析DMB傳輸幀數(shù)據(jù)所必需的。FIC信息進一步又是由快速信息組(FIG，F(xiàn)ast Information Group)所組成。DMB標準定義了大量的FIG用于傳輸不同的配置信息，其中用于傳輸時間的FIG為Fig0/10。

為了保證時間的準確性，發(fā)射端需要采集來自GPS的精準時間信息，并按照Julian時間格式進行編碼，最后打包成Fig0/10數(shù)據(jù)包格式，插入DMB傳輸幀中，如圖3所示。

圖3 時間基準信息發(fā)送的示意圖

由于DMB傳輸幀每96 ms合成一次，故本系統(tǒng)中時間基準信息的精度為96 ms。

3 時間基準信息的解碼

DMB接收終端基于我校自主開發(fā)的DMB基帶解碼芯片ID200而開發(fā)。終端的結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作原理為：DMB廣播信號首先通過RF芯片從高頻降為中頻(中心頻率2.048 MHz)；中頻信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入ID200芯片，完成信道解碼和解復用，從而恢復出MSC和FIC數(shù)據(jù)；MSC數(shù)據(jù)再經(jīng)過ID200內(nèi)部的音頻解碼器解碼后輸出數(shù)字聲音，該聲音信號再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和放大后驅(qū)動喇叭播放；所有的FIC數(shù)據(jù)，包括時間基準數(shù)據(jù)FIG0/10，則通過ID200的數(shù)據(jù)接口輸出給外部單片機。

圖4 DMB接收終端結(jié)構(gòu)圖

ID200提供了DMB傳輸幀同步脈沖，外部單片機可利用該脈沖作為中斷信號，定時的從ID200內(nèi)部讀取FIC數(shù)據(jù)。單片機從FIC數(shù)據(jù)中找出FIG0/10，解碼后獲得時間基準信息，該信息再經(jīng)過USART接口送給時鐘驅(qū)動電路。為方便時鐘驅(qū)動電路判斷時間基準信息的可靠度，USART接口還傳遞了DMB終端的信道誤碼率等關(guān)鍵狀態(tài)信息。

需要說明的是，在已經(jīng)安裝了DMB系統(tǒng)的學校，DMB接收終端是共用的，并不需要額外的終端用于接收時間校準信息，這就大大降低了成本。

4 同步時鐘控制模塊的設(shè)計

4.1 LED驅(qū)動電路設(shè)計

考場中的時鐘應具有辨識度高、可快速讀取的特點。為達到這個要求，顯示單元采用了64×32像素的LED點陣屏。LED點陣屏必須要控制板才能正確顯示圖形[13-14]。市面上許多LED驅(qū)動板支持時間顯示，但卻無法接收DMB的校準信息，因此無法在本系統(tǒng)中使用。為此，需要設(shè)計一款專門的LED控制板，以接收DMB時間基準信息并驅(qū)動LED顯示。該控制板的結(jié)構(gòu)如圖5所示，核心器件為STM32單片機。

圖5 LED控制板結(jié)構(gòu)圖

該控制板的工作原理如下：

(1) 利用STM32單片機的實時時鐘(RTC)功能，產(chǎn)生一個間隔為32 ms的內(nèi)部時鐘計數(shù)器。

(2) 利用STM32單片機的內(nèi)部中斷，不停檢測從USART接口發(fā)送過來的時間基準信息，并利用該信息實時校準第1步產(chǎn)生的RTC計數(shù)器。在DMB信號正常時，基準信息每隔96 ms就會到來，因此所有時鐘將保持準確的同步。如DMB信號短時間丟失，由于RTC獨立計數(shù)器的存在，時鐘也能繼續(xù)工作。

(3) 利用STM32來驅(qū)動LED屏顯示時間。LED屏的驅(qū)動接口為并行的08接口，在任一瞬間接口上的數(shù)據(jù)可驅(qū)動8個像素點顯示，再利用動態(tài)行掃描方式，逐次掃過屏幕上所有的點，最后得到顯示圖形。在本設(shè)計中，STM32單片機根據(jù)要顯示的時間信息，從ASCII字模庫中找到各個字符對應的點陣數(shù)組，按照行掃描方式，以一定的頻率依次將數(shù)據(jù)送往LED屏。根據(jù)人的視覺惰性理論，只要保證每一行每秒鐘能夠點亮60次以上，即刷新頻率高于60 Hz，就能保證人們所看到的LED屏顯示圖像全屏穩(wěn)定。本設(shè)計采用64×32像素的LED屏，每次送8 bit數(shù)據(jù)，按照60 Hz的刷新率，則接口的數(shù)據(jù)速率應不小于64×32×60/8=15 360 bit/s。STM32單片機的GPIO輸出速度可以達到2 Mbit/s以上，完全滿足要求。

按照上述思路設(shè)計的軟件流程如圖6所示。首先開啟串口并設(shè)置波特率為9 600 bit/s，同時開啟RTC并設(shè)置中斷間隔為32 ms；然后讀取串口接收到的時間數(shù)據(jù)以及信道誤碼率，根據(jù)誤碼率判斷數(shù)據(jù)是否可靠，如可靠，則對RTC進行校準，否則忽略該數(shù)據(jù)包中的時間信息；最后，將RTC計時器的數(shù)值轉(zhuǎn)換為時間并驅(qū)動LED屏顯示，如此循環(huán)運行。

圖6 LED控制板單片機軟件流程圖

4.2 其他功能

為更加方便用戶使用和管理，除顯示實時間外，還增加了DMB接收信號強度指示和配置參數(shù)用戶可修改功能。

(1) 信號強度指示功能可方便用戶隨時了解DAB接收終端的工作狀態(tài)。在考試前的設(shè)備巡檢中，通過觀察信號強度指示信息，可快速判斷發(fā)射信號和接收終端是否異常，避免事故發(fā)生。

在本設(shè)計中，LED控制板將通過USART接口接收到的信道誤碼率轉(zhuǎn)換成信號強度，并通過LED屏最下方的橫線來示意，橫線的長短代表DAB信號的強弱。為了進一步加強提示，在LED控制板上還增加了蜂鳴器，當信道誤碼率高于某個閾值時，蜂鳴器將發(fā)出警報聲，從而及時提醒管理部門。

(2) 市面上的LED點陣屏有多種型號，分別具有不同的極性(共陰極或共陽極)和掃描率(1/4掃描、1/8掃描、1/16掃描等)。為了提高LED控制板的通用性，增加了配置參數(shù)用戶可修改功能。其原理如下:

首先將LED的不同配置與數(shù)據(jù)的處理對應起來。例如極性的不同，可通過對輸出數(shù)據(jù)按位取反來適應；掃描率的不同，可通過改變數(shù)據(jù)的傳送順序來適應；亮度的調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)整LED的亮滅時間比來完成。

然后利用STM32的內(nèi)部Flash虛擬了一個小容量的U盤，將上述所有參數(shù)存儲在名為config.txt配置文件，并放置于該虛擬U盤內(nèi)。當用戶需要修改某些參數(shù)時，將控制卡像U盤一樣插入電腦，打開里邊的config.txt文件，修改保存后，將LED控制卡與電腦斷開連接，重新連接DMB接收器和LED屏，則通電后LED控制卡即按照新的配置開始工作。

包含了配置參數(shù)用戶可修改功能的STM32單片機工作流程如圖7所示。

圖7 虛擬U盤讀取流程

5 設(shè)計結(jié)果

按照上述思路設(shè)計的DMB同步LED時鐘如圖8所示。

圖8 DMB同步LED時鐘實物圖

在實驗室采用4塊不同類型的LED屏制作了電子鐘并進行了測試，測試結(jié)果表明：通過虛擬U盤的配置，所有LED屏均可正常工作；4塊LED鐘可保持精確同步，誤差不超過1 s，滿足標準化考場需求；LED電子鐘可由DMB接收機提供的5 V直流電壓工作，無需額外電池，工作電流120 mA左右，功耗約為0.6 W；信號指示和報警功能正確。

該電子鐘于2015年8月在重慶交通大學109間標準化考場正式使用(見圖9)。近1年的運行結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，所有教室的時鐘一直保持良好同步，誤差在1 s之內(nèi)，與傳統(tǒng)電波鐘相比，成本更低，更易維護和管理。無論是平時還是考試，都提供高精度的時間參考，受到師生歡迎。

圖9 DAB數(shù)字同步時鐘在教室的應用

6 結(jié) 語

完成了基于DMB的數(shù)字同步時鐘設(shè)計，具有準確度高、同步性好、管理方便的優(yōu)勢。已在重慶交通大學等單位獲得正式應用，運行穩(wěn)定，受到考試院的認可。

DMB已在全國十余家院校實施，并在不斷的擴展普及。本文設(shè)計的基于DMB的多功能考場同步數(shù)字時鐘可以借助于已安裝的DMB接收器，只需增加一塊LED屏和控制板即可實現(xiàn)，且比傳統(tǒng)同步鐘成本更低，同步性更好，更容易管理和維護，為現(xiàn)代化考場建設(shè)提供了先進的技術(shù)手段，具有良好的應用前景。

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Design of DMB-based Synchronous Clock for Large-Scale Examination

ZHANGHongsheng,ZHURenyi,WANGGuoyu,PANChao

(Key Lab of Microelectronics Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A asynchronous digital clock based on DMB (digital multimedia broadcasting) technology is designed. The clock receives DMB signal, decodes the time reference to calibrate the clock, and drives an LED panel for display. All clocks can be strictly synchronized with an error less than 1 second. In addition to time display, the designed clock can also be used as an information terminal for the DMB receivers installed in the examination room to indicate DMB signal strength and provide sound notification. Compared to the traditional solution, this design advances in lower cost, better synchronization performance, and is easier to manage and maintain. It provides a new method of intelligent simultaneous clock solution for the modern examination rooms.

digital multimedia broadcasting; synchronous clocks; examination clock

2016-05-12

國家自然科學基金項目(61401051);重慶市高等教育學會高等教育科學研究課題(CQGJ13C446);重慶市教育科學“十二五”規(guī)劃2014年度規(guī)劃課題/重慶市高等教育教學改革研究重點項目(2014-GX-006);重慶郵電大學校級教學改革項目(XJG1505)

張紅升(1980-)，男，河南南陽人，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)字多媒體廣播技術(shù)及其在教育信息化的應用。

Tel.:13618275908; E-mail: zhanghs@cqupt.edu.cn

TH 714

A

1006-7167(2017)02-0058-04