傳統(tǒng)機(jī)頂盒節(jié)能改進(jìn)及遙控一體化方案研究

張新建 ，劉 沛 ，2，楊曉坤 ，彭 誠(chéng) ，凌建華

（1.華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在過去幾年，有線電視發(fā)展迅速，標(biāo)清或高清數(shù)字電視機(jī)頂盒越來越多地進(jìn)入居民家庭[1]。很多人在用遙控器關(guān)掉電視后便不再留意機(jī)頂盒這個(gè)設(shè)備，認(rèn)為其耗電很少。但是通過實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，連接電視機(jī)的傳統(tǒng)機(jī)頂盒待機(jī)狀態(tài)下功耗為5.07 W左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了空調(diào)、音響、電視機(jī)等這些高能耗電器的待機(jī)功耗。

傳統(tǒng)機(jī)頂盒待機(jī)的一般技術(shù)方案是由機(jī)頂盒的電源模塊直接對(duì)各功能模塊供電，待機(jī)時(shí)僅禁止視頻輸出，所有模塊仍處于供電狀態(tài)，這使其待機(jī)狀態(tài)能耗較高，造成巨大的能源浪費(fèi)，因此改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)頂盒待機(jī)狀態(tài)下的能耗已刻不容緩[2-3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本方案是由單片機(jī)微處理器、紅外接收器以及繼電器等部分組成的一體化節(jié)能改進(jìn)方案，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本原理是：在機(jī)頂盒遙控器發(fā)出一個(gè)待機(jī)或開機(jī)信號(hào)時(shí)，紅外接收部分接收到待機(jī)信號(hào)或開機(jī)信號(hào)，并將信號(hào)傳送給單片機(jī)處理器分析處理；確定是待機(jī)信號(hào)或開機(jī)信號(hào)后，向繼電器控制部分及紅外發(fā)射模塊分別發(fā)出控制指令；繼電器模塊接到指令后，切斷或接入電路電源，使機(jī)頂盒內(nèi)主芯片及高耗能外圍電路模塊停止或開始工作；紅外發(fā)射模塊接到單片機(jī)待機(jī)或開機(jī)指令后，向電視機(jī)紅外接收模塊發(fā)出待機(jī)或開機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)遙控一體化待機(jī)和開機(jī)功能。各模塊功能如下：

(1)紅外接收模塊：用于接收機(jī)頂盒遙控器發(fā)出的各種控制命令并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊。該部分為原有電路模塊。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊：用于處理紅外接收模塊接收到的各種控制命令并將處理后的控制命令傳給相應(yīng)執(zhí)行模塊。該部分為節(jié)能改進(jìn)方案中增加的模塊。

(3)繼電器模塊：用來執(zhí)行數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出的待機(jī)或開機(jī)指令信號(hào)，進(jìn)而接入或切斷機(jī)頂盒內(nèi)主芯片級(jí)外圍高耗能芯片，以實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒正常工作狀態(tài)或低功耗待機(jī)狀態(tài)。該部分為節(jié)能改進(jìn)方案中增加的模塊。

(4)紅外發(fā)射模塊：用來執(zhí)行數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出的一體化開關(guān)機(jī)指令信號(hào)，其接收到待機(jī)或開機(jī)命令后，向電視紅外接收電路發(fā)出待機(jī)或開機(jī)命令，實(shí)現(xiàn)電視與機(jī)頂盒的一體化待機(jī)或開機(jī)。該部分為節(jié)能改進(jìn)方案中增加的模塊。

2 電路實(shí)現(xiàn)

2.1 節(jié)能改進(jìn)

本改進(jìn)方案是通過在主耗能芯片及外圍耗能電路與電源的接線處增加一個(gè)由繼電器和單片機(jī)最小系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。通過單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)主耗能芯片和外圍耗能電路與電源的連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)頂盒低功耗待機(jī)。其節(jié)能改進(jìn)電路如圖2所示。

當(dāng)遙控器發(fā)出一個(gè)待機(jī)信號(hào)時(shí)，機(jī)頂盒紅外接收部分接收到待機(jī)信號(hào)并將信號(hào)傳送給單片機(jī)處理器分析處理，確定是待機(jī)信號(hào)后向繼電器模塊及電視機(jī)紅外待機(jī)模塊發(fā)出控制指令，切斷機(jī)頂盒主耗能芯片及外圍耗能電路。

2.2 遙控一體化

據(jù)調(diào)查顯示，絕大多數(shù)數(shù)字電視的用戶都有同一個(gè)煩惱：機(jī)頂盒一個(gè)遙控器，電視機(jī)一個(gè)遙控器，操作很繁瑣。由于多種因素制約，機(jī)頂盒與電視機(jī)需要各自的遙控器分別進(jìn)行遙控控制，這不僅使用戶操作繁瑣，而且容易產(chǎn)生誤操作。

遙控器的核心元器件是編碼芯片，將需要實(shí)現(xiàn)的操作指令(如選臺(tái)、快進(jìn)等)事先編碼，設(shè)備接收到信號(hào)后解碼，再控制有關(guān)部件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。在設(shè)計(jì)時(shí)，接收電路和CPU是與遙控器的編碼一起配套設(shè)計(jì)的。編碼通過載波輸出，所有的脈沖信號(hào)均調(diào)制在載波上，載波頻率通常是38 kHz。載波通過用電信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，將電信號(hào)變成光信號(hào)發(fā)射出去。在接收端，需要反過來通過光電二極管將紅外線光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大、整形、解調(diào)等步驟，最后還原成最初的脈沖編碼信號(hào)，完成遙控指令的傳遞，這是一個(gè)十分復(fù)雜的過程[4]。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分用戶需要的遙控器一體化功能有：開機(jī)、待機(jī)、音量、信號(hào)源切換等常用功能，其他功能基本不需要集成。為此，本文設(shè)計(jì)了遙控器常用功能的一體化改進(jìn)方案，其基本原理如圖3所示。本設(shè)計(jì)對(duì)原有機(jī)頂盒遙控器的體積、布局基本沒有影響，僅需較小的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)，在提升用戶使用體驗(yàn)的同時(shí)又節(jié)省了電視機(jī)遙控器所需的電池開支，減少了能源消耗和環(huán)境污染。遙控器發(fā)射模塊及接收模塊改進(jìn)電路如圖4所示。

3 功耗對(duì)比測(cè)試

機(jī)頂盒內(nèi)部電路功耗分為工作功耗和待機(jī)功耗。工作功耗是指機(jī)頂盒在其實(shí)現(xiàn)正常工作時(shí)的必備功能及接口時(shí)的功耗；待機(jī)功耗是指機(jī)頂盒在完全待機(jī)狀態(tài)下的功耗。使機(jī)頂盒能夠正常顯示電視節(jié)目，工作15 min后，用功耗表測(cè)量被測(cè)機(jī)頂盒的工作功耗，測(cè)試時(shí)間不少于2 min，此測(cè)量值即為機(jī)頂盒的工作功耗；將機(jī)頂盒設(shè)置為待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)15 min后用功耗表測(cè)量機(jī)頂盒的功耗，測(cè)量時(shí)間不少于2 min，此測(cè)量值即為機(jī)頂盒待機(jī)功耗[5]。

為對(duì)機(jī)頂盒節(jié)能改進(jìn)前后待機(jī)功耗效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)機(jī)頂盒進(jìn)行了功耗測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 機(jī)頂盒節(jié)能改進(jìn)后功耗一覽表

測(cè)試結(jié)果表明，傳統(tǒng)機(jī)頂盒在實(shí)施節(jié)能改進(jìn)后待機(jī)功耗僅為0.76 W，下降了近90%，節(jié)能效果明顯。若將此技術(shù)推廣到全國(guó)的傳統(tǒng)機(jī)頂盒節(jié)能改進(jìn)中去，其每年將產(chǎn)生上億元的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，其與遙控一體化方案節(jié)省的干電池一起將帶來無(wú)法估量的環(huán)境效益。

本文通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)頂盒內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的研究，找到了其待機(jī)能耗過高的問題所在，通過添加由繼電器與單片機(jī)最小系統(tǒng)組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其低功耗待機(jī)。本改進(jìn)方案不僅實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)頂節(jié)能，對(duì)新研發(fā)低功耗待機(jī)機(jī)頂盒也具有重要參考價(jià)值。此外，本文提出的遙控一體化改進(jìn)方案，既實(shí)現(xiàn)了用戶常用遙控功能的一體化，又克服了目前市場(chǎng)上其他遙控一體化方案帶來的改進(jìn)成本高、改進(jìn)方案復(fù)雜等不足。

[1]宗翔，任偉.談?wù)動(dòng)芯€數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換的技術(shù)支撐[J].有線電視技術(shù)，2012(4)：114-115.

[2]劉以農(nóng).盡快解決機(jī)頂盒待機(jī)能耗過高問題[J].北京觀察，2011(9)：36.

[3]李鵬程.能效標(biāo)準(zhǔn)破解機(jī)頂盒能耗之困[N].中國(guó)電子報(bào)，2011-01-04.

[4]王水成.遙控器檢修思路·技巧·實(shí)例[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[5]崔巖，秦龔龍，張紅.高清晰度有線數(shù)字電視機(jī)頂盒技術(shù)要求和測(cè)量方法[J].廣播與電視技術(shù)，2010(3)：58-60.