基于CPLD的多媒体教室中央控制系统的设计 精品Word文档下载推荐.docx

基于CPLD的多媒体教室中央控制系统的设计 精品Word文档下载推荐.docx

《基于CPLD的多媒体教室中央控制系统的设计 精品Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CPLD的多媒体教室中央控制系统的设计 精品Word文档下载推荐.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

教师对各种设备的控制信号是通过计算机来传达的，计算机屏幕上使用WINDOWS操作平台的图形界面，形象地显示各种设备的状态，教师只需要使用鼠标就可以进行控制，十分直观、方便、简单。

第2章多媒体教室中央控制系统概述

2.1多媒体技术概述

多媒体技术主要是指利用电脑把文字、图形、影像、动画、声音及视频等媒体信息数位化，并将其整合在一定的交互式界面上，使电脑具有交互展示不同媒体形态的能力。

它极大的改变了人们获取信息的传统方法，符合人们在信息时代的阅读方式。

多媒体技术的发展改变了计算机的使用领域，使计算机由办公室、实验室中的专用品变成了信息社会的普通工具，广泛应用于工业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域。

多媒体技术涉及面相当广泛，主要包括:

（1）音频技术:

音频采样、压缩、合成及处理、语音识别等。

（2）视频技术:

视频数字化及处理。

（3）图像技术:

图像处理、图像、图形动态生成。

（4）图像压缩技术:

图像压缩、动态视频压缩。

（5）通信技术:

语音、视频、图像的传输。

（6）标准化:

多媒体标准化。

多媒体技术的特点如下：

（1）能够完成在内容上相关联的多媒体信息的处理和传送，如声音、活动图像、文本、图形、动画等；

（2）交互式工作，而不是简单的单向或双向传输；

（3）网络联结，即各种媒体信息是通过网络传输的，而不是借助CD-ROM等存储载体来传递的。

2.2中央控制系统概述

多媒体教室的中央控制系统是对多媒体教室视音频设备、计算机、投影机、电动屏幕和教学环境进行管理与控制的系统。

系统一般由操作单元和控制主机两部分组成，在主控软件的协调下工作。

在多媒体教室中，教学设备都与中控系统主机相连接，中控主机既是信号处理中心，完成视音频信号、计算机数据信号输入、输出的切换、分配、处理、驱动，也是控制驱动中心，依据程序控制投影机电源开关、屏幕升降、灯光亮暗、窗帘开关、声音大小、实现投影机关机延时和电动屏幕限位保护等功能。

中控系统的操作单元，集成了教学设备的各种控制按钮与相应的状态显示，用户通过控制面板操控教学设备，使多媒体教室设备应用与管理由复杂变简单。

同时，操作单元是整个系统的弱信号处理单元，运行控制程序，是中控系统的核心。

现在，中央控制系统已经成为多媒体教室中的核心设备，它的质量好坏、使用方便与否，直接影响课堂教学。

中央控制系统的构成。

作为一个系统中央控制系统一般由以下四部分组成：

（1）用户界面；

（2）中央控制主机；

（3）各类控制接口；

（4）受控设备。

具体又可分为以下几个模块：

音视频切换模块；

VGA电脑信号切换模块；

红外学习及发射模块；

设备电源管理模块；

电动屏幕控制模块；

音色、音量处理模块；

控制接口处理模块；

电源模块；

网络模块。

多媒体教室中央控制系统具有以下特点：

（1）提供多种用户操作的界面。

（标准PC＼LCD触摸屏＼手控面板）：

个性化控制界面设计可以使教师操作方便，得心应手。

同时面向全部电教设备总揽全局，一目了然。

（2）能同时对多路设备进行控制。

通过电机或投影机进行演播同时，能对其它音视频源进行预览。

（3）集成度高，设备控制方式齐全，操作界面清晰，系统扩展功能强，可靠性高等特点。

低成本，高性能，高集成度，全数字化控制。

（5）可编程逻辑器件直接接入：

影碟机，录像机，视频展示台，摄像机，录音卡座，计算机，笔记本，功放，有线麦克，无线麦克，电动屏，投影机，电源控制器，环境控制器。

2.3复杂的可编程逻辑器件（CPLD）概述

CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是复杂可编程逻辑器件的英文简写，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。

是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。

其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（MC，MacroCell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。

其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。

由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

器件特点：

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10，000件以下）之中。

几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。

CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分。

MAX7000系列是以第二代MAX结构为基础的基于EEPROM的可编程逻辑器件。

MAX7000系列CPLD包含5.0VMAX7000器件和5.0V基于ISP的MAX7000S器件。

这里以MAX7000S器件的结构为例介绍Altera的CPLD结构特性。

MAX7000S器件使用44~208引脚的。

如下图2-1所示。

图2-1MAX7000S

第3章多媒体教室中央控制系统总体设计和控制面板设计

3.1多媒体教室中央控制系统总体设计

多媒体教室的基本组成如下图3-1所示：

图3-1多媒体教室中央控制系统结构框图

该多媒体教室中央控制系统以CPLD作为主控模块，主控模块接收来自控制面板或上位机的控制信息，这些信息经过CPLD处理后变为相应的控制信号。

本论文主要设计总电源控制模块、环境控制模块、视频切换模块、音频切换模块、音道切换和音量控制模块这五个模块并完成相应的功能。

VGA信号切换模块、串行通信模块、红外遥控模块也可由CPLD进行编程后实现相应的控制功能。

图3-1中各组成模块的功能：

（1）总电源控制模块:

该模块实现总电源控制、灯光电源控制、电源窗帘电源控制、投影仪电源控制和多媒体教室中各种媒体设备的电源控制功能。

（2）环境控制模块:

该模块完成对电动屏幕的升、降、停的集中控制功能。

（3）视频切换模块:

系统提供了五种信号源，即多媒体计算机、笔记本电脑、实物视频展示台、影碟机、录像机的视频信号源，同时还提供了大屏幕投影和监视器两种视频输出方式。

视频切换控制器就是完成对这五路视频信号的选择切换和两路输出的分配工作。

（4）音频切换模块:

系统提供了六路音频输入，即多媒体计算机、笔记本电脑、实物视频展示台、影碟机、录像机、卡座的音频输入信号。

同时从这六路音频输入信号中选择出一路信号进行输出。

音频切换控制器就是完成对这六路音频信号的选择切换和一路输出的分配工作。

有线话筒和无线话筒的音频信号可以直接由AV功放处理后输出，所以不再设计有线话筒和无线话筒的音频切换控制器。

（5）音频声道切换和音量控制模块:

该模块的主要作用是对音频左右声道进行选择和调节音频信号输出时的信号幅值大小。

3.2多媒体教室控制面板设计

多媒体集成控制系统需要将被控系统设备的各种操作功能按照教师实际操作要求进行组合处理，界面也根据实际组合进行了相应的变动。

然后将其具体对每一媒体或设备的最终操作过程集成一起，变成简单的一个操作。

系统可以对多媒体计算机、笔记本电脑、实物视频展示台、影碟机、录像机、卡座、投影仪、电动银幕、灯光等设备进行电源控制，对各种多媒体设备进行切换等基本操作的集成控制。

所有这些控制都是在控制台上的一个集成控制系统的控制面板上完成的。

通过多媒体教室中央控制系统结构框图可将控制面板设计为以下几个部分，如图3-2所示：

图3-2多媒体教室控制面板

（1）系统供电部分：

要使用各种多媒体设备并进行集成控制，首先要打开用于控制整套系统电源的电源开关，给系统供电。

由图二中总电源控制开关按钮可以对整套系统实现电源控制。

在电源控制部分还有三组二级控制开关分别对灯光、窗帘、投影仪进行电源控制。

（2）环境控制部分：

该部分由图二中电动屏幕选择栏中的升、降、停三个控制按钮组成，它们实现对电动屏幕的控制。

（3）视频音频信号选择部分：

由图一可知，主要有多媒体计算机、笔记本电脑、实物视频展示台、影碟机、录像机、卡座（卡式磁带录音座）这六种多媒体信号需要选择，为了实现中央控制系统对多媒体设备的切换功能，因此在控制面板的信号选择部分应该有六个选择按钮，任课教师只要在控制面板上的“多媒体信号节目源选择栏”中按下任意一个按钮，该按键对应的多媒体设备的视频信号就会通过投影仪投射后显示，音频信号通过音箱进行输出播放。

（4）音频声道切换和音量控制部分：

该部分由图二中的声音控制栏中的左右声道选择按钮和音量控制选择栏中的音量增大、音量减小、静音三个按钮组成，它们可以实现声道切换和对音箱输出的声音大小进行控制。

话筒音量增减可以由功率放大器进行手动调整。

计算机的开关电源控制不设计在系统供电部分，这是由于当教师只需单独使用计算机时，只用打开计算机电源即可，而没有必要打开多媒体教室的其他设备电源。

面板上留有两个备用选择按钮，这两个按钮可以在以后多媒体教室需要进行设备扩展时再编程使用。

第4章多媒体教室中央控制系统各模块的设计与实现

4.1控制系统芯片选择

在多媒体教室中央控制系统结构框图中，可以看出控制单元（CPLD）是其中最核心的一环，我们可以选用Altera公司目前市场性价比比较高的MAXII系列的CPLD。

Altera推出的MAXII器件系列是一款革命性的CPLD产品。

它基于突破性的CPLD架构，提供业界所有CPLD系列中单个I/O管脚最低成本和最小功耗。

这些器件采用新的查表（LUT）体系，采用TSMC的0.18μm嵌入Flash工艺，使其裸片尺寸仅为同样工艺器件的1/4。

MAXII系列和上一代MAX产品相比，成本降低了一半，功耗只有其1/10，同时保持MAX系列原有的瞬态启动、单芯片、非易失性和易用性。

新的系列器件容量翻了两番，性能是上一代MAXCPLD的两倍多，使消费类、通信、工业和计算机产品的设计者能够采用MAXII系列器件代替昂贵和不够灵活的小型ASIC和ASSP。

MAXII系列器件的主要特征有：

（1）成本优化的架构：

新型MAXIICPLD架构包括基于LUT的LAB阵列、非易失性Flash存储模块和JTAG控制电路；

（2）低功耗：

MAXII器件是动态功耗较低的CPLD；

（3）高性能：

MAXII器件支持高达300MHz的内部时钟，可为用户提供更高的系统级性能。

通过改善布线结构管脚间的延时与其他同容量的CPLD相比大大降低；

（4）用户Flash存储器：

MAXIICPLD内的用户Flash存储器是一个为8K比特，用户可访问且可编程的Flash存储器块，可用于用户自己定义的数据；

（5）实时在系统可编程能力（ISP）：

MAXII器件支持实时在系统可编程，允许用户编程正在工作的器件；

（6）灵活的多电压MultiVolt内核：

MAXII架构支持MultiVolt，允许器件在1.8V、2.5V或3.3V电压环境下工作；

（7）JATG翻译器：

MAXIICPLD具有一种被称为JATG翻译器的功能，这种功能允许通过MAXII器件执行定制的JTAG指令，配置单板上不兼容JTAG协议的器件，从而简化了单板管理；

（8）I/O能力：

MAXIICPLD的I/O能力加强了其易用性和系统集成能力。

MAXII系列器件的可以在QuartusII软件中通过VHDL语言进行编程、调试和仿真。

4.2电源控制模块设计

电源控制模块是对实现多媒体教室中各种设备的电源进行集中控制。

本模块的设计采用了自动控制系统设计中弱电技术的思想，把模块分为弱电部分和强电部分两块，两部分之间用继电器连接进行控制。

电源模块的结构如图4-1所示。

图4-1电源控制模块原理方框图

电源控制模块的工作原理是当总电源控制器接收到控制面板上的电源“开/关”信号时，总电源控制继电器KM会得电或失电，从而使得KM进行相应的动作以此来控制整个系统电源的通断。

当总电源打开后，电源控制器才能对接收到的多媒体教室内各种设备的电源控制信号进行二级控制，这些信号经过CPLD的处理后使得二级控制信号所对应的设备的继电器（KM1-KM4）得电或失电，从而实现对多媒体教室中各种设备的电源控制。

电源控制器的内部逻辑结构如图4-2所示。

图4-2电源控制器电路图

由图4-2可知，我们是用基本RS触发器对各种信号进行采集和处理。

基本RS触发器是具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。

基本RS触发器具有两个稳定状态，即"

0"

和"

1"

，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，同时基本RS触发器还能够防止按键的抖动。

基本RS触发器的VHDL代码如附录A所示。

电路图中的3个与门的作用是实现总电源对各种设备电源的二级控制功能。

按设计要求，只要打开总电源，各种视音频设备的供电电路就应该工作，所以继电器KM和KM1实际是一个继电器。

电源控制模块的逻辑仿真图如图4-3所示。

图4-3电源控制器仿真图

电源控制模块强电部分的原理框图如下图所示

图4-4电源控制模块强电部分原理框图

4.3环境控制模块设计

本文中的环境控制模块主要是指对电动屏幕实现升、降、停的控制，其依然采用弱电技术的思路分两块进行设计。

其工作原理是当环境控制器接受到控制面板上电动屏幕栏内升、降、停的控制信号后，在CPLD内对接受到的信号进行处理并输出，使得相应继电器KM（总开关，停），KM1（电动机正转，升）KM2（电动机反转，降）得电或失电，从而使得屏幕在电机的带动下上升、下降或停止。

环境控制模块的原理方框图如图4-5所示。

图4-5电动屏幕的控制模块原理方框图

1.电动屏幕弱电控制部分设计

电动屏幕弱电控制部分的电路图如下图所示。

图4-6电动屏幕弱电控制器电路图

我们仍用基本RS触发器对控制面板上电机控制栏内的“正、反、停”的控制信号进行采集和处理。

电路图4-6中的第二个基本RS触发器（控制KM）置1后需要复位，因此在第二个基本RS触发器的R端用了一个或门，既两个输入信号Turn-On和Turn-Over都可以使输出信号KM置0，它的作用是当电机停止后（KM＝1），环境控制器再接受到升降命令时电机可再次运行，若在KM＝1后不将其复位（KM＝0）则会使得电机在停止后无法再次启动。

KM控制输出端的非门和KM1、KM2控制输出端两个与门的作用是当按下停止按钮后，无论电机在正转和反转都要停止动作。

电动屏幕控制器的逻辑仿真图如图4-7所示，其控制功能表如表4-1所示。

图4-7电动屏幕控制器（弱点部分）仿真图

电动屏幕控制信号（输入）

电动屏幕进行相应动作

升（电机正转）

降（电机反转）

停

KM1

KM2

KM3

1

禁止（0）

表4-1电动屏幕弱电控制功能表

2.电动屏幕强电部分设计

电动屏幕强电部分控制采用了电机正反停控制中的互锁设计，这样设计可以避免电机正反转切换时而导致的电机损坏，例如，当电机在正转时，若接收到反转的控制信号，则电机的控制线路会先将电机正向电压断开后再接入反向电压，反之亦然。

电动屏幕强电部分的原理图如图4-8所示，其工作原理当继电器KM1得电时，受KM1控制的两个常开触点闭合，电机M正向通电后正转，屏幕在电机的带动下上升；

当继电器KM2得电时，受KM2控制的两个常开触点闭合，电机M反向通电后反转，屏幕在电机的带动下下降；

当继电器KM得电时，受KM控制的一个常闭触电打开，电机控制电路断电，电机M停止，既屏幕停止动作。

图4-8电动屏幕强电部分原理图

4.4视音频切换模块设计

视音频切换模块的作用是通过接收控制面板上多媒体设备节目源选择栏内的各种多媒体设备的控制信号，经过CPLD处理后，输出选择控制信号所对应的多媒体设备的视频信号和音频信号。

其原理图如图4-9所示。

图4-9视音频切换控制模块原理方框图

视音频切换模块的工作原理是视音频切换控制器接受到各种多媒体设备选择信号后，对这些选择信号进行处理后输出到视频信号切换选择器和音频信号切换选择器，视频信号切换选择器和音频信号切换选择器再根据处理过的多媒体设备选择信号选择一种多媒体设备的视频和音频信号进行输出。

视频信号输出后通过视频处理电路分别输出到投影仪和监视器。

音频信号输出后经过声道切换和音量控制器处理输出到AV功放。

图4-9中的视频处理器选择可以选择MAXIM公司生产的四路视频缓冲器MAX497CPE。

MAX497CPE具有对四路视频信号进行分配放大的功能，其应用电路简单、稳定可靠。

其内部原理图和引脚图如图4-10所示，因为只用到两路视频信号输出，所以剩下的两路视频缓冲器可以在以后多媒体教室要进行系统扩展时再使用。

图4-10路视频缓冲器MAX497CPE内部原理图

根据视音频切换模块的工作原理可以把其再细分为视音频切换控制器和视音频切换选择器两块进行分别设计。

1.视音频切换控制器设计

视音频切换控制器的原理图如下图所示，其主要是由编码器和译码器组成的。

图4-11视音频切换控制器原理框图

视音频选择控制器的工作原理是视音频切换控制器对输入的六路多媒体设备（多媒体计算机、笔记本电脑、实物视频展示台、影碟机、录像机、卡座）的选择信号通过优先编码器编码后产生三位的二进制编码，这三位二进制编码再通过地址锁存器处理后输出。

视音频控制器的电路图如图4-12所示。

图4-12视音频切换控制器电路图

图4-12中我们用CPLD内的74LS148对六种媒体设备的选择输入信号进行编码，74LS18是8线-3线优先编码器，它可以对8路输入进行优先编码后产生3位地址码。

优先编码器允许同时输入两个以上编码信号，并对其中优先权最高的一个进行编码，这样可以避免多个选择信号被