基于CATV的智能校園廣播/考試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)，一般需要由人工定時(shí)操作，且只能實(shí)現(xiàn)一路廣播，功能少，傳統(tǒng)的打鈴設(shè)備，音源單一，聲音刺耳，隨著學(xué)校教學(xué)改革的不斷深入，這些電教設(shè)備已不能滿足學(xué)校的要求和發(fā)展，根據(jù)學(xué)校的需求，筆者利用電腦多媒體技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合catv系統(tǒng)設(shè)計(jì)出了智能校園廣播/考試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)頻廣播，而且可以尋址廣播，控制校園任一廣播終端的功能操作，如廣播開關(guān)、聲音調(diào)節(jié)和頻道切換等，同時(shí)廣播終端也可以對(duì)自己的廣播功能進(jìn)行操作，其可以通過遙控電腦進(jìn)行全自動(dòng)定時(shí)廣播，實(shí)現(xiàn)打鈴、課間操、課間音樂、年級(jí)語(yǔ)言考試等功能。因此，該系統(tǒng)是學(xué)?，F(xiàn)代教育“三網(wǎng)”工程的一個(gè)較佳選擇。

1 系統(tǒng)組成和各部分功能

智能校園廣播/考試系統(tǒng)的組成如圖1所示，該系統(tǒng)充分利用校驗(yàn)原來(lái)的catv網(wǎng)絡(luò)，將各種音源設(shè)備的音頻信號(hào)通過電視射頻調(diào)制器，調(diào)制成不同頻道的射頻電視信號(hào)，與catv信號(hào)共纜傳輸?shù)綇V播終端，廣播終端通過多媒體電子調(diào)諧器就欲接收頻道的音頻信號(hào)解調(diào)出來(lái)，進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)喇叭實(shí)現(xiàn)廣播。

音源設(shè)備包括遙控電腦的聲卡、話筒、dvd、卡座等，用以輸出音源信號(hào)，多路前置放大器分別放大各路音源信號(hào)，使得達(dá)到電視射頻調(diào)制器音頻數(shù)據(jù)所需的電平，電視射頻調(diào)制器將各音源設(shè)備輸出的音源信號(hào)，分別調(diào)制到不同電視頻道的載波頻率上，調(diào)制器音頻輸入端子接收音頻現(xiàn)象，而視頻輸入端子則懸空不解，整個(gè)系統(tǒng)受控于一臺(tái)遙控電腦，遙控電腦通過com口發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)rs－232/rs－485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成485格式總線信號(hào)，傳輸?shù)街悄芸刂破骱蛷V播終端，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制，智能控制器將接收到的遙控電腦控制信號(hào)譯碼，控制音源設(shè)備的工作狀態(tài)（開啟、關(guān)閉、播放等）廣播終端的功能是將音頻信號(hào)解調(diào)出來(lái)實(shí)現(xiàn)廣播，可由遙控電腦和廣播終端分別控制。

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 智能控制器

智能控制器的作用是將接收的遙控電腦指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的紅外遙控信號(hào)，紅外遙控信號(hào)具有自學(xué)習(xí)功能，用以控制音源設(shè)備的工作狀態(tài)，智能控制器組成如圖2所示，主控制以單片機(jī)ta89c52為核心，紅外遙控信號(hào)由一串編碼脈沖經(jīng)過38－40khz的載頻調(diào)制而成，紅外遙控信號(hào)的自學(xué)習(xí)功能則通過測(cè)量解調(diào)后編碼脈沖的高電平寬度與低電平寬度，并依脈沖次序?qū)挾葦?shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，紅外遙控信號(hào)的還原只需從存儲(chǔ)器去除已學(xué)習(xí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生原來(lái)的編碼脈沖串，并調(diào)制成紅外信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

紅外遙控信號(hào)自學(xué)習(xí)時(shí)，紅外接收器（sfh506－38）負(fù)責(zé)將待學(xué)習(xí)的紅外遙控信號(hào)解調(diào)，解調(diào)后的遙控編碼脈沖串直接送入at89c52的into和to腳，由單片機(jī)at89c52對(duì)各個(gè)脈沖的高電平寬度與低電平寬度進(jìn)行測(cè)量，具有i2c總線接口的e2prom芯片at24c64作為存儲(chǔ)器，用來(lái)保存遙控編碼脈沖串高電平與低電平的寬度數(shù)據(jù)，各功能紅外遙控信號(hào)e2prom中占用相應(yīng)的空間。 at89c52通過max3082接收播控電腦指令，將其譯碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的遙控編碼脈沖信號(hào)從p1.1輸出，并與p1.0輸出的38khz的載波信號(hào)進(jìn)行“或非”完成調(diào)制，經(jīng)9013驅(qū)動(dòng)后，由紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外遙控信號(hào)，控制音源設(shè)備工作狀態(tài)。

2.2 廣播終端

廣播終端硬件原理圖如圖3所示，控制核心為at89c51單片機(jī)多媒體電子調(diào)協(xié)器tcl2002mb－2為廣播接收解調(diào)模塊，廣播終端由廣播接收調(diào)節(jié)、聲音控制、功放、按鍵、顯示、存儲(chǔ)、總線驅(qū)動(dòng)等模塊組成，廣播接收解調(diào)、聲音控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都采用i2c總線控制模式，單片機(jī)的p1.7定義為sda，p1.6定義為scl。

2.2.1 廣播接收解調(diào)模塊

tcl2002mb－2是tcl公司專為計(jì)算機(jī)多媒體環(huán)境中的射頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，可直接從射頻信號(hào)解調(diào)出峰值為1v的視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，可解調(diào)的射頻效果覆蓋了全部電視頻道，調(diào)諧和波段切換是通過變成數(shù)字鎖相環(huán)系統(tǒng)完成的，控制信息由i2c總線寫入，在廣播終端中只使用調(diào)諧器的音頻輸出，而視頻輸出不用。

tcl2002mb－2的i2c寫模式如表1所示，而i2c寫控制方式邏輯如表2所示，其中，ma1和mao的取值由調(diào)諧器as引腳電壓決定，通常使as引腳接地，此時(shí)ma1mao為00；cp用于設(shè)置調(diào)諧速度，通常置cp＝0，調(diào)諧為中速；t2t1t0置為001；rsarsb為調(diào)諧步長(zhǎng)設(shè)置，通常置為11，調(diào)諧步長(zhǎng)為62.5khz，可以正確調(diào)諧到所需頻道；uhf、vh、vl為波段開關(guān)，1為關(guān)閉，0為打開，n14－70為編程分頻比，可由公式計(jì)算得到，frf（pc）為欲接收頻道的圖像載頻，單位為mhz。

各個(gè)頻道的編程分頻比和程序一起燒寫固化在單片機(jī)rom里， 收聽頻道選擇時(shí)，單片機(jī)通過差表取出欲接收頻道的編程分頻比，以表1規(guī)約的i2c寫模式寫入調(diào)諧器，進(jìn)行調(diào)諧，解調(diào)出音頻信號(hào)，參考文獻(xiàn)[1]中提出一種按平臺(tái)模式設(shè)計(jì)、適用于80c51系列單片機(jī)的虛擬i2c總線軟件包，可依規(guī)約的讀寫模式直接調(diào)用該i2c總線軟件包的數(shù)據(jù)讀寫子程序，對(duì)調(diào)諧器和其他i2c總線器件實(shí)現(xiàn)操作。

2.2.2 數(shù)字音量、音調(diào)控制與功放模塊

為了實(shí)現(xiàn)播控電腦和廣播終端對(duì)廣播終端音量和音調(diào)進(jìn)行控制，系統(tǒng)選用philips的tda 7315雙聲道數(shù)字音頻處理器，tda7315可以實(shí)現(xiàn)音量、音調(diào)、聲道均衡控制，所有控制信息由cpu通過i2c總線寫入。

tda7315的寫入模式如表3所示，而i2c寫控制方式邏輯表如表4所示，其中a2a1a0為000時(shí)，音量衰減為0db，由000遞增至111時(shí)，音量以1.25db步長(zhǎng)衰減，b2b1b0為000時(shí)，音量衰減為0db，由000遞增至111時(shí)，音量以10db步長(zhǎng)衰減；l為0時(shí)音量打開，為1時(shí)靜音；c3c2c1c0為0111時(shí)，音調(diào)衰減為0db，由0111遞減至0000時(shí)，音調(diào)以2db步長(zhǎng)衰減，由0111遞增至1111時(shí)，音調(diào)以2db步長(zhǎng)遞增。

調(diào)整音量、音調(diào)時(shí)，單片機(jī)從e2prom讀出當(dāng)前值，進(jìn)行增、減運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果以表3規(guī)約的寫模式寫入tda7315實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制。

功放模塊采用tda2030，每路輸出功率可達(dá)12w，能滿足大部分廣播終端的要求。

2.2.3 總線驅(qū)動(dòng)、顯示、接地及地址設(shè)置

廣播終端與播控電腦通信使用rs－485規(guī)范，at89c51通過串行口接入rs－485總線，總線驅(qū)動(dòng)采用max3082，可以掛接256個(gè)終端，能滿足大多數(shù)學(xué)校的要求。

圖3所示的2位led數(shù)碼管可以顯示收聽頻道、音量、音調(diào)等狀況，默認(rèn)顯示為當(dāng)前的收聽頻道，當(dāng)選擇聲音操作時(shí)可顯示當(dāng)前音量、音調(diào)狀況。顯示電路采用靜態(tài)掃描方式，cd4513為bcd－7段鎖存/譯碼驅(qū)動(dòng)器，p1.0、p1.1、p1.2、p1.3輸出顯示數(shù)字的bcd碼，p1.4、p1.5產(chǎn)生位輸入鎖存信號(hào)。

廣播終端面板的“status”接鍵實(shí)現(xiàn)音量、音調(diào)、頻道功能轉(zhuǎn)換，“up”、“down”按鍵實(shí)現(xiàn)音量、音調(diào)、頻道增減，單片機(jī)通過判別p2.2的低電平次數(shù)作出相應(yīng)功能改變，通過判別p2.1、p2.0的低電平作出音量、音調(diào)和頻道的改變， 并將設(shè)置值寫入i2c總線式的e2prom（at24c02）中的記憶。

各廣播終端串接在rs－485總線上，播控主機(jī)通過多機(jī)通信方式與各個(gè)廣播終端通信，每個(gè)廣播終端都有自己的地址，單片機(jī)通過讀dip開關(guān)狀態(tài)設(shè)定終端的地址。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 播控主機(jī)軟件

播控電腦的軟件主要由自動(dòng)播放模塊和控制模塊組成，自動(dòng)播放模塊包括播放庫(kù)與定時(shí)播放模塊，播放庫(kù)可存放海量的音源文件，音源文件格式為mp3，通過數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以不斷添加新的mp3格式聲音文件，并歸類；將mp3播放器嵌入定時(shí)播放模塊，定時(shí)播放模塊可以設(shè)定播放時(shí)間、播放具體的歌曲，也可以設(shè)定播放某類歌曲，啟動(dòng)聲卡定時(shí)播放鈴聲、課間操及課間歇息音樂等；控制模塊完成命令的發(fā)送，包括對(duì)廣播終端和廣播設(shè)備命令，整套軟件采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，使用可視化的編程工具delphi，電腦與其他設(shè)備的通信使用控件mscomm，數(shù)據(jù)庫(kù)采用sybase系統(tǒng)。

3.2 智能控制器軟件

智能控制軟件的核心為紅外遙控信號(hào)自學(xué)習(xí)模塊和紅外遙控信號(hào)發(fā)射模塊，其程序框圖如圖4所示。

在紅外遙控信號(hào)自學(xué)習(xí)時(shí)，定時(shí)器t0和t1定義為工作方式1，t0的gate位置位，int0外部終端方式置為邊沿觸發(fā)，無(wú)紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收器輸出高電平，有紅外信號(hào)時(shí)，紅外接收器輸出的脈沖串由高電平往低電平跳變，引起int0外部中斷，每次into外部中斷時(shí)首先停止定時(shí)，記錄t 0、t 1的計(jì)數(shù)值（t0的計(jì)數(shù)值為脈沖的高電平寬度，而低電平寬度為t1的計(jì)數(shù)值減去t0的計(jì)數(shù)值），然后t 0、t1計(jì)數(shù)值清零，并重新啟動(dòng)定時(shí)，同時(shí)將高電平與低電平的寬度數(shù)據(jù)寫入at24c64中保存，依次逐一測(cè)出遙控編碼脈沖串的各個(gè)高電平與低點(diǎn)平的寬度，并按次序存放在e2prom中記憶。

在紅外遙控信號(hào)發(fā)射時(shí)，t0置于工作方式1，按指令查表，依次從e2prom中取出已學(xué)習(xí)的存儲(chǔ)的高電平與低電平的寬度數(shù)據(jù)，賦計(jì)數(shù)初值給定時(shí)器t0并啟動(dòng)，計(jì)數(shù)初值為測(cè)量值反碼，通過t0中斷，在p1.1還原出紅外遙控編碼脈沖串。

3.3 廣播終端軟件

廣播終端上電復(fù)位后，即進(jìn)入等待接收控制命令狀態(tài)，命令處理程序框圖如圖5所示。

本系統(tǒng)已獲國(guó)家專利，并在兩廣地區(qū)各類學(xué)校得到了廣泛應(yīng)用，由于該系統(tǒng)功能齊全、操作方便，效果良好，深受使用學(xué)校的歡迎。