基于嵌入式TCP/IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)型多媒體中控器設(shè)計(jì)

李 慶

(武警成都指揮學(xué)院， 四川 成都 610213)

0 引言

圖1 系統(tǒng)工作原理

隨著多媒體技術(shù)與信息技術(shù)在教學(xué)中的普及，多媒體教室已成為各大高校的主要教學(xué)場地，其管理的好壞將直接關(guān)系到課堂知識的傳授效果和學(xué)校的教學(xué)質(zhì)量.早期的多媒體教室主要是將各類教學(xué)設(shè)備進(jìn)行簡單的連接，這樣的方案易造成使用及管理不便并存在安全隱患.為解決以上問題，很多高校在多媒體教室中安裝了多媒體中控器,這種中控裝置利用了集中控制的原理，可以將多媒體教室中所有教學(xué)設(shè)備的控制使用權(quán)進(jìn)行集中的管理，使原本相對獨(dú)立的各種多媒體教學(xué)設(shè)備變成了一個(gè)可以統(tǒng)一控制管理的系統(tǒng).多媒體中控器能一定程度地解決多媒體教室的使用問題，但是仍然不能有效解決多媒體教室的遠(yuǎn)程管理等問題.為規(guī)范高校多媒體教室的使用秩序，需要各教室的中控裝置不單能管理本教室的教學(xué)設(shè)備，還能識別使用者身份以及為管理人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供網(wǎng)絡(luò)通信功能.因此，構(gòu)建一套具有身份識別功能、基于校園網(wǎng)絡(luò)的多媒體中控系統(tǒng)是解決現(xiàn)階段多媒體教室使用及管理問題的優(yōu)選方案.

1 系統(tǒng)工作原理

本文所設(shè)計(jì)的多媒體中控器以常用多媒體教學(xué)設(shè)備為控制目標(biāo)，運(yùn)用射頻IC卡進(jìn)行使用者身份識別，并通過嵌入式TCP/IP技術(shù)使中控器與遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上對接入校園網(wǎng)的所有多媒體教室進(jìn)行監(jiān)控.系統(tǒng)工作原理如圖1所示.

中控器在鎖定狀態(tài)下切斷除自身外所有教學(xué)設(shè)備的電源，這時(shí)候任何多媒體教學(xué)設(shè)備均不能使用.教師在授課前通過射頻IC卡進(jìn)行身份確認(rèn)后，中控器接通其余設(shè)備的電源.此時(shí)，教師可開啟并操作所需要的多媒體教學(xué)設(shè)備.授課結(jié)束，教師在關(guān)閉教學(xué)設(shè)備后關(guān)閉中控系統(tǒng)，使系統(tǒng)再次進(jìn)入鎖定狀態(tài).

若教師在授課前忘記攜帶射頻IC卡，可以通過電話聯(lián)系遠(yuǎn)程監(jiān)控室，管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程解除申請人所在教室中控器的鎖定狀態(tài).

各多媒體教室需要在適當(dāng)位置安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，使之能兼顧教學(xué)秩序與教學(xué)設(shè)備的管理.管理人員可以定時(shí)在遠(yuǎn)程監(jiān)控端通過攝像頭了解各教室多媒體設(shè)備的使用情況，當(dāng)出現(xiàn)教師在授課后忘記關(guān)閉中控系統(tǒng)或出現(xiàn)非法使用的情況，管理人員可以遠(yuǎn)程切斷設(shè)備電源，重新鎖定中控系統(tǒng).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)硬件構(gòu)架.考慮到系統(tǒng)成本及效率，中控器選擇Silabs公司的C8051F020單片機(jī)作為控制核心.外圍電路主要分為3個(gè)模塊：設(shè)備控制模塊、射頻讀卡模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊,其中設(shè)備控制模塊又由控制面板、開關(guān)控制以及音視頻切換3部分組成.硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

(2)設(shè)備控制電路.設(shè)備控制模塊包括控制面板、開關(guān)控制以及音視頻切換3部分電路組成.控制面板負(fù)責(zé)輸入操作信息.開關(guān)控制電路負(fù)責(zé)對設(shè)備電源、投影機(jī)、電動投影幕、音響等進(jìn)行開關(guān)控制操作.音視頻切換電路根據(jù)鍵盤操作使系統(tǒng)切換到相應(yīng)的音頻源和視頻源.以上三者共同構(gòu)成設(shè)備控制模塊，實(shí)現(xiàn)對多媒體教學(xué)設(shè)備的管理控制.設(shè)備控制電路如圖3所示.

圖3 設(shè)備控制電路

圖4 中控器控制面板

控制面板是中控系統(tǒng)的輸入設(shè)備，其原理是一個(gè)帶輸出中斷信號的矩陣鍵盤.教師可以通過面板上的鍵盤控制設(shè)備開關(guān)并調(diào)整其工作狀態(tài).除按鍵外，面板上還預(yù)留了射頻IC卡的感應(yīng)區(qū)域.多媒體教室通常會將計(jì)算機(jī)以及中控器嵌入安裝于講桌內(nèi)部，所以一些常用接口線也需要從控制面板引出，例如筆記本音視頻輸入、臺式機(jī)外接USB等接口.控制面板外觀如圖4所示.

開關(guān)控制電路主要實(shí)現(xiàn)對具體多媒體設(shè)備進(jìn)行開關(guān)及調(diào)節(jié)操作,其中單片機(jī)P3.0口外接ULN2003A驅(qū)動電路驅(qū)動一個(gè)繼電器來實(shí)現(xiàn)220V電源的開關(guān).中控系統(tǒng)初始化完成后，P3.0口為低電平，除中控器外的設(shè)備電源都是切斷的，教學(xué)設(shè)備不可用，中控器處于鎖定狀態(tài).當(dāng)系統(tǒng)讀取到合法射頻卡或網(wǎng)絡(luò)收到開啟信號后，P3.0口置高電平，設(shè)備總電源開啟，教師可以自由使用相關(guān)教學(xué)設(shè)備.

電動投影幕的升降主要由管狀電機(jī)控制.根據(jù)管狀電機(jī)控制原理，系統(tǒng)分配單片機(jī)P3.1與P3.2口作為控制信號.該信號經(jīng)ULN2003A驅(qū)動后控制繼電器工作，從而實(shí)現(xiàn)對電動投影幕的控制.單片機(jī)UART0通過MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后接入投影機(jī)的RS-232串口，中控器通過向該串口發(fā)送控制碼來實(shí)現(xiàn)對投影機(jī)的開關(guān)控制.

投影機(jī)通常在關(guān)閉后散熱風(fēng)扇也會繼續(xù)工作一段時(shí)間，應(yīng)用過程中若直接關(guān)閉電源不利于設(shè)備的保養(yǎng).一般有兩種解決方法,一是單獨(dú)設(shè)置電路對投影機(jī)電源進(jìn)行延時(shí)關(guān)閉;二是讓其電源一直處于接通狀態(tài)，只需要在關(guān)閉中控系統(tǒng)時(shí)確認(rèn)投影機(jī)是否關(guān)閉,若未關(guān)閉則通過串口向投影機(jī)發(fā)送關(guān)閉控制信號.

計(jì)算機(jī)直接通過總電源進(jìn)行關(guān)閉會造成非正常關(guān)機(jī).為解決計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程關(guān)閉的問題，可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)用遠(yuǎn)程控制軟件關(guān)閉目標(biāo)計(jì)算機(jī)，例如Symantec公司的pcAnywhere軟件.

視頻展臺、音響及麥克風(fēng)可直接通過總電源進(jìn)行開關(guān)管理.本著簡化設(shè)計(jì)的原則，系統(tǒng)中沒有安排單片機(jī)端口對音響及麥克風(fēng)進(jìn)行控制，只需設(shè)計(jì)電路將該類設(shè)備上的相關(guān)控制按鍵或旋鈕轉(zhuǎn)移并集成到中控器的控制面板上即可.

音視頻切換電路可根據(jù)用戶在控制面板上的操作使系統(tǒng)切換到相應(yīng)的音頻源和視頻源.中控系統(tǒng)允許臺式機(jī)、筆記本以及視頻展臺3路VGA輸入，通過視頻切換電路輸出到投影機(jī).允許臺式機(jī)、筆記本兩路雙聲道音頻輸入，通過音頻切換電路輸出到功放音響.麥克風(fēng)音頻信號不通過中控器直接輸入功放音響.系統(tǒng)中采用了MAX4885多路VGA復(fù)用芯片實(shí)現(xiàn)視頻切換功能.由于系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)3路VGA信號(臺式機(jī)、筆記本、視頻展臺)的選擇，因此采用兩片MAX4885并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)切換功能.單片機(jī)P3.3和P3.4口作為切換電路的控制信號.

雙聲道音頻切換電路采用CD4052雙4選1模擬開關(guān),也是通過單片機(jī)P3.3和P3.4口的輸出編碼來控制CD4052進(jìn)行音頻通道切換，設(shè)備對應(yīng)編碼與視頻切換相同.

圖5 射頻讀卡電路

圖6 網(wǎng)絡(luò)通信電路

(3)射頻讀卡電路.射頻讀卡模塊采用Philips公司的MFRC522射頻讀卡芯片，電路如圖5所示.C8051F020單片機(jī)P0.2～P0.5經(jīng)交叉開關(guān)配置作為SPI接口，功能依次為SCK、MISO、MOSI、NSS，與MFRC522芯片SPI接口相連.此外，單片機(jī)P2.7口作為復(fù)位信號與MFRC522芯片/RST引腳連接，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作.此外，MFRC522芯片從TX1和TX2引腳發(fā)射的信號是已調(diào)制的13.56 MHz載波信號，只需輔以多個(gè)無源器件實(shí)現(xiàn)匹配和濾波功能便可直接驅(qū)動天線.

(4)網(wǎng)絡(luò)通信電路.網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用Silabs公司的CP2200以太網(wǎng)控制器.CP2200內(nèi)部集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)和10Base-T物理層(PHY)，可為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)通信功能.電路如圖6所示.

設(shè)置C8051F020外部存儲器接口配置寄存器EMI0CF為0xFB，將單片機(jī)外部存儲器接口EMIF配置在高端口(P4～P7).C8051F020的P4.5口連接CP2200進(jìn)行復(fù)位操作，P4.6、P4.7口分別連接CP2200讀寫控制信號線/RD、/WR ，P5.7口(A15)作為CP2200的片選信號.P6口作為地址總線的低8位與CP2200的地址線A[0:7]相連，P7口作為數(shù)據(jù)總線與CP2200的數(shù)據(jù)線D[0:7]相連.經(jīng)交叉開關(guān)配置的單片機(jī)/INT0與CP2200芯片的中斷信號/INT相連.CP2200的14個(gè)中斷事件中的任何一個(gè)產(chǎn)生中斷時(shí),CP2200通過將中斷狀態(tài)寄存器中相應(yīng)的標(biāo)志置1，并將/INT引腳驅(qū)動到低電平來通知主機(jī).此外，CP2200的兩組差分信號RX+/RX-和TX+/TX-需要通過RJ-45插頭實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接.

圖7 系統(tǒng)主程序

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序如圖7所示.射頻讀卡子程序如圖8所示.網(wǎng)絡(luò)通信子程序如圖9所示.網(wǎng)絡(luò)通信模塊軟件主要包括模塊初始化程序、CP2200驅(qū)動程序以及嵌入式TCP/IP協(xié)議棧3部分,其中CP2200驅(qū)動程序主要完成接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)以及向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作.

由于嵌入式Internet系統(tǒng)軟硬件資源有限并且通常功能需求較少，因此在構(gòu)造嵌入式TCP/IP協(xié)議棧的時(shí)候可以對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行裁剪.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧只選取了4項(xiàng)的協(xié)議：ARP、IP、ICMP和TCP.

ARP(地址解析協(xié)議)可為IP地址與對應(yīng)的硬件地址提供動態(tài)映射.在上層協(xié)議需要對外進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)會在本地的高速緩存中尋找目的IP所對應(yīng)的MAC地址.如果沒有找到，則調(diào)用ARP請求協(xié)議.

圖8 射頻讀卡子程序

本系統(tǒng)中ARP協(xié)議能完成接收ARP報(bào)文、發(fā)送ARP報(bào)文、高速緩存管理、解析ARP報(bào)文等功能,這些功能具體由ARP初始化函數(shù)init_arp()、ARP高速緩存更新函數(shù)age_arp_cache()、ARP發(fā)送函數(shù)arp_send()、ARP解析函數(shù)arp_resolve()、ARP重傳函數(shù)arp_retransmit()和ARP接收函數(shù)arp_rcve()來實(shí)現(xiàn).

IP(網(wǎng)際協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議棧的核心，通過它可以使不同網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.IP提供的是不可靠的、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù).系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為簡化IP協(xié)議，只實(shí)現(xiàn)IP報(bào)文的發(fā)送和接收,具體由IP發(fā)送函數(shù)ip_send()和IP接收函數(shù)ip_rcve()來實(shí)現(xiàn)，其中ip_send()負(fù)責(zé)添加20字節(jié)的IP首部，然后將數(shù)據(jù)報(bào)送到鏈路層,而ip_rcve()負(fù)責(zé)接收來自鏈路層的IP數(shù)據(jù)包，解包后送給上層協(xié)議.

ICMP(網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議)的主要作用是傳遞差錯(cuò)報(bào)文以及其它需要注意的信息,通過該協(xié)議可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的簡單診斷.為簡化ICMP協(xié)議，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只實(shí)現(xiàn)了兩種與Ping命令有關(guān)的報(bào)文處理，其功能主要由Ping發(fā)送函數(shù)ping_send()和ICMP接收函數(shù)icmp_rcve()實(shí)現(xiàn),其中ping_send()函數(shù)負(fù)責(zé)構(gòu)成ICMP報(bào)文并發(fā)送該報(bào)文,icmp_rcve()函數(shù)負(fù)責(zé)解釋、處理接收到的ICMP報(bào)文.如果報(bào)文類型是回送請求(類型為8)，則從服務(wù)器端調(diào)用ping_send()發(fā)送應(yīng)答內(nèi)容.如果是其它類型，在本系統(tǒng)中不做處理.

圖9 網(wǎng)絡(luò)通信子程序

TCP(傳輸控制協(xié)議)是建立在IP協(xié)議之上的運(yùn)輸層協(xié)議.由于加入端口(port)的功能，實(shí)現(xiàn)了傳輸通道的復(fù)用和分用功能.TCP數(shù)據(jù)報(bào)首部為20～60字節(jié)，是一種面向連接的，能提供可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù).TCP協(xié)議功能主要由TCP初始化函數(shù)init_tcp()、TCP保活函數(shù)tcp_inactivity()、TCP發(fā)送函數(shù)tcp_send()、TCP接收函數(shù)tcp_rcve()和TCP重傳函數(shù)tcp_retransmit()實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用增強(qiáng)型8位單片機(jī)C8051F020設(shè)計(jì)了一套功能完備、成本合理的網(wǎng)絡(luò)型中控器.系統(tǒng)通過射頻IC卡確認(rèn)使用者身份后即可方便地控制多媒體教室的全部教學(xué)設(shè)備.為順利實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能，中控系統(tǒng)還設(shè)置有嵌入式以太網(wǎng)接口.管理人員可以通過教室內(nèi)攝像頭了解教學(xué)設(shè)備的運(yùn)行情況后對多媒體設(shè)備進(jìn)行必要的管理操作.相對于市場現(xiàn)有的多媒體中控產(chǎn)品，特別是對比單價(jià)在3000元以下的中低端多媒體中控器，本設(shè)計(jì)具有功能相對完備實(shí)用、成本合理的優(yōu)勢，具有一定的市場前景。

[1] 鄭 偉．多媒體教室的集中監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．

[2] 曹 婕，王耀青．網(wǎng)絡(luò)中控系統(tǒng)中以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(10)：235-237．

[3] 常玉保．網(wǎng)絡(luò)中央控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006．

[4] 陳春梅，楊世恩．遠(yuǎn)程多媒體教室中央監(jiān)視系統(tǒng)[J]．西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19(2)：33-36．

[5] 劉慶全．基于校園網(wǎng)的多媒體教室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．南京：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006．