帶視頻輸出學習機的設計

周俊生，曾凡雄，謝再晉

（1.華南理工大學 廣東 廣州 510641;2.深圳市寶安區森匯鏑科技有限公司 廣東 深圳 518110）

帶視頻輸出學習機的設計

周俊生1，曾凡雄2，謝再晉1

（1.華南理工大學 廣東 廣州 510641;2.深圳市寶安區森匯鏑科技有限公司 廣東 深圳 518110）

針對目前學習機屏幕小，功能內容單一，智能化不強，單聲道發音，個人單用等特點，提出一種帶視頻輸出的學習機，使用了全新的設計理念，圖文并茂，聲音豐富，智能程度高，將學習機里的內容通過外接電視機或投影設備顯示出來，通過大屏幕顯示可讓多人互動學習。省去了自帶顯示屏的成本和避免了屏幕顯示太小的問題。

學習機；視頻輸出；嵌入式；微處理器

目前市面上的學習機都存在屏幕小、機型小、功能和內容單一、智能化不強、單聲道、價格較高等缺點。針對以上不足，設計一種帶視頻輸出學習機，通過外接電視或投影設備顯現出學習內容，供家長和學生互動學習；并設計了拼音漢字同步顯示系統，將文章的拼音、漢字按系統規則放入指定文件中，再按MP3內容的播放時間排序，就可以通過視頻輸出顯示，如《百家姓》的（車侯宓（fú）蓬），“宓”[1]字就可以通過拼音來認識它。同時也可以播放MP4格式的動漫文件。并且配置2.1聲道的功放系統和木質音箱，使聲音高、低音豐富。特別增加了話筒錄放功能，可隨錄隨放[2]。還設計可進行面板和遙控兩種操作模式，讓使用更加方便，使學習機更加智能化，人性化。

1 學習機系統設計方案

本學習機設計的方案是基于Linux操作系統的SC8636嵌入式微處理器來實現帶拼音漢字、視頻圖像的學習資料播放[3]?？傮w結構框架圖如圖1所示，微處理器使用嵌入式微處理器SC8636芯片，連接4位LED數碼管。SDRAM存儲器是W9812G6JH-6，外接 NOR FLASH 用 MX25L1606E,E2PROM存儲器采用AT24C02E。SD卡內置漢語拼音視頻資源，外置USB接口。話筒聲音放大電路IC是JRC4558D，數字控制立體聲音質處理器CSC2313F，還有2.1聲道的高保真功率放大模塊YW2030和低音處理IC JRC4558D，外接音頻輸入端口,紅外線遙控器接收模塊IR LL-IRM0038B。

學習機系統軟件的開發由微處理器SC8636自帶，使用Linux操作平臺對嵌入式微處理進行軟件開發。

2 學習機的硬件設計

本設計硬件功能組合功能強大，系統復雜，但各模塊之間的通信連接邏輯性強。下面介紹主要硬件組成模塊以及EMC電磁抗干擾設計。

2.1 處理器電路

采用Silan提供的微處理器SC8636。SC8636是基于Linux操作系統的嵌入式芯片，專用于數字多媒體處理方案的單芯片電路，在支持 應用的同時還可提供卡、IDE等接口，從而適用于各種需要支持IPOD應用的音視頻播放場合。處理器核由一個32位的RISC和一個64位DSP處理器組成，內部集成了音視頻解碼、TV信號編碼、視頻后處理、視頻DAC、音頻DAC等功能模塊，同時為了充分利用外部SDRAM存儲器，處理器還使用統一的存儲器管理結構，電路中還內置USB全速主控制器和閃存卡接口。另外，SC8636還集成了高質量的隔行處理器和電視信號編碼器，用于支持HD(720p/1080i)和MacrovisionTM(480p/576p)標準的逐行和隔行視頻輸出。圖2是SC8636的系統框圖。

圖2 SC8636 MCU系統框圖Fig.2 Schematic diagram of system of SC8636

2.2 存儲器電路

本設計內部存儲器采用NOR FLASH。NOR FLASH的特點是芯片內執行XIP(eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash閃存內運行。 NOR FLASH的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能?？紤]到成本和兼容性問題，本學習機選中了MXIC公司的NOR FLASH芯片MX25L1606E,大小為16 MB。經實驗驗證通過SPI與SC8636實現串行數據連接，能穩定在36 Mbps傳輸速率下進行數據傳輸。SPI串行傳輸即滿足了傳輸效率和穩定性，又避免了增加過多的腳位排列。

外部存儲器設計采用的8 GB SDHC卡，速度級別是CLASS4，可以流暢播放高清電視，也滿足與數碼相機連接的需求。SD卡內部存儲了7.3 GB的內容，共計二十個篇章，其中國學的拼音、漢字共計44萬字。

2.3 話筒輸入及功放輸出

設計中話筒輸入電路作用是對話筒輸入的微弱信號進行放大并使之電平適合后級電路的需要，對輸入的聲音信號進行一些修飾，使聲音聽起來更加悅耳。電路中采用的是動圈式（600歐阻抗）高增益的話筒。話筒輸出后級信號放大采用的是通用的雙運放JRC4558D IC。第1級放大器采用的是反相比例運算電路[4]。第1級放大器反向增益VA=-22K/4.7K=6.7倍，后級放大主要用于再反向還原信號相位和信號整形。同時還通過SC8636的OP1腳增加了1個話筒檢測靜噪功能。

話筒信號處理分如下兩種方式：

1）聲音直接放大：話筒通過JRC4558D運算放大器，再送入 直接輸出到音調控制電路到功放直接放大輸出。

2）錄音播放功能：按下面板或遙控器的REC按鍵，則表示是使用話筒錄音功能，此時喇叭將不會送出話筒說話的聲音，這時SC8636將把JRC4558D送過來的音頻信號直接存儲到SD卡，每1次錄音的時間最長不超過5分鐘。同時面板4位LED數碼管將顯示錄音的時間，中途再按下REC鍵，則停止錄音。此時按下播放鍵，播放剛才錄音的內容。播放完后，再次要錄音時，將自動清除上次錄音的內容。

2.4 其他模塊設計

本學習機主面板設置了9個主功能按鍵，在無遙控器的情況下，完成學習機的播放操作功能，這9個功能鍵包括播放/暫停，音量加減，上一曲，下一曲，單曲重復播放，MP3/MP4轉換，錄音和待機。此按鍵直接由SC8636功能腳進行矩陣組合實現。

面板顯示采用4位七段共陽數碼管顯示。由4只8550 PNP三極管供電。三極管的基極由SC8636控制輸出，可顯示內容包括曲目時間，曲目序號，音量和音調指示，英語字符等。

學習機還設計了紅外無線遙控（IR）操作功能,遙控距離設定為水平距離大于5M的范圍。IR模塊采用的是佳光公司的LL-IRM0038B,IR遙控器采用的是東帝斯公司的884-TO-002A遙控器，遙控器用CR2025 3V鈕扣電池供電。

VIDEO OUT電路通過SC8636直接輸出，經過阻抗匹配，可連接到電視機和投影設備，從而還原視頻圖像。

2.5 抗干擾設計

對于一個即有數字信號又有模擬信號的視頻播放系統的設計來說，要對它們進行分別接地和信號有效地隔離對系統來說是非常重要的。因此電路板在布線排版過程中對數字地和模擬地進行了嚴格的區分并且盡力遵循抗干擾布線規則，來以提高系統的抗干擾性能。數字地與模擬地分開,接地線盡量粗,接地線構成閉環路[5]。SC8636微處理器部份引腳接上拉電阻，保證引腳呈高電平的穩定性，并減輕微處理內部供電負載壓力，減少IC本身的功耗。同時也將懸空引腳接地，防止懸浮電壓的產生。

3 學習機軟件的設計及應用設置

3.1 MCU軟件的啟動流程及設計

本學習機系統軟件的開發主要由微處理器SC8636自帶，使用的是Linux操作平臺對嵌入式微處理進行的軟件開發。微處理器SC8636內部有SARAM地址和固化的ROM,當系統上電的時候，將執行固化ROM中的代碼，然后檢查硬件的GPIO配置，把NOR FLASH前8K讀入內部的SARAM中，下一步進行初始化界面。因本學習機系統軟件應用流程復雜，以下將列舉2個典型流程加以說明。

3 .1 .1 漢字拼音視頻輸出軟件啟動流程

圖3是漢字/拼音視頻輸出程序流程圖。本學習機啟動時，首先開始進入初始化用戶界面。然后同步啟動LRC文件MP3文件，再分別處理LRC的漢字，拼音時間信息和MP3的時間信息。第 步是同步 播放時間信息和拼音，漢字顯示。第4步調整漢字，拼音的寬度，最后再AV輸出要播放的內容。

圖3 漢字/拼音視頻程序輸出流程圖Fig.3 Flow chart of outputting Chinese characters and pinyin video

3 .1 .2 話筒錄音保存輸出軟件啟動流程

圖4是話筒錄音保存輸出程序啟動流程圖。學習機首先開始進入初始化用戶界面，啟動錄音功能，系統分2個方向同時進行:1個方向是初始化MP3錄音，清除先前的錄音文件，創建1個新的臨時文件，用于存放錄音的內容;另1個方向是啟動MIC輸入，系統再讀取MIC的內容到內存。以上兩個步驟同時會合后啟動MP3編碼，再進行MP3編碼后，最后寫入臨時文件到SD卡保存后播放。

圖4 話筒錄音保存輸出程序流程圖Fig.4 Flow chart of the software saving and outputting of MIC

3.2 拼音漢字視頻在TV上顯示方式的設置

本學習機傳統文化部份共502篇文章，每1篇文章在屏幕上均可顯示拼音，漢字，句子等。每一屏幕可顯示共12行，6行拼音，再對應6行漢字，即上一行是拼音，下一行則是相對應發聲的漢字。并且每一行最多可顯示20個帶標點符號的漢字。右上角有播放時間的顯示，左上角在操作時也有播放狀態顯示，如播放，暫停，重復等等。視頻顯示是像素達到標清的標準720×576的分辨率。圖5是文章《女史箴》拼音/漢字顯示的示例。

圖5 《女史箴》拼音漢字顯示示例Fig.5 Example of pinyin and Chinese characters come from＜The history of women Zhen＞

3.3 LRC格式的國學拼音漢字的輸入設置

以圖6所顯示的內容為例，必須要有2部份組合才能完成，第1部份是MP3文件，第2部份就是同MP3文件要求同名的LRC文件，圖6就是《女史箴》LRC格式的文件樣板的其中一部份內容，每個LRC文件抬頭都需要寫入[ar:]；[al:]；[offset:]抬頭，這樣才能在TV上顯示正確的內容。并且在LRC內容中從第一行算起直到12行，每一行的時間必須是一樣的，這樣在TV上才能顯示對應的拼音，漢字為一屏幕。并且LRC前面設置的時間要與MP3播放內容的時間一致，這樣才不會造成播音和顯示不同步。本學習機中共有502篇國學文章，共計有442499個拼音，包括通假字[6]（如：第191篇文章《莊子天下第三十三》里的滑釐(xī)通假字“禧(xī)”等），均已制作成LRC格式。

圖6 《女史箴》LRC格式的部份內容Fig.6 LRC format of＜The history of women Zhen＞

4 結論

本設計就是把SC8636微處理器[7-9]合理的應用到學習機中，使學習機發揮它的最大功能。樣機已由深圳森匯鏑科技有限公司試制。它不但可以通過讀取學生U盤里課本資料來播放，用來學習課本上的知識，也可以作為學生學習課本和國學文化的可視可聽可錄的工具，提高中小學生的學習興趣。本學習機也可考慮在適當增加成本的情況下，將目前視頻輸出升級為高清1080i模式，將模擬功放升級為數字功放，這樣可使本學習機更適應市場需求。

[1]金春梅,張秋霞.新華大字典[M].北京:商務印書館國際有限公司,2012.

[2]趙廣林.AV功放機實用單元電路原理及維修圖說[M].北京:電子工業出版社,2010.

[3]田澤.嵌入式開發與應用教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[4]高玉良.電路與模擬電子技術[M].北京:高等教育出版社,2008.

[5]楊龍麟.電子測量技術[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[6]馮其庸,鄧安生.通假字匯釋[M].北京:北京大學出版社,2006.

[7]楊洪艷，牛偉，吳武臣.無線火災監測系統中微處理器芯片的物理設計[J].現代電子技術，2013（16）：101-104.

YANG Hong-yan，NIU Wei，WU Wu-chen.Physical design of microprocessor used in wireless fire monitoring system[J].Modern Electronics Technique，2013（16）：101-104.

[8]朱宇耀，蘇凱雄，陳建.微處理器設計中的時序驗證及優化[J].現代電子技術，2012（8）：147-149.

ZHU Yu-yao，SU Kai-xiong，CHEN Jian.Time sequence verification and optimization in microprocessor design[J].Modern Electronics Technique，2012（8）：147-149.

[9]崔芳，郭玉會.基于微處理器的程控電流源設計[J].電子科技，2014（3）:60-63.

CUI Fang，GUO Yu-hui.Microprocessor based programmable current source design[J].Electronic Science and Technology，2014（3）:60-63.

Design of learning machine with video output

ZHOU Jun-sheng1,ZEND Fan-xiong2,XIE Zai-jin1
（1.South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;2.Shenzhen Baoan Sen Hui Di Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518110,China）

Aiming at the characteristics of learning machine,such as the small screen,single function content,poor intelligence,mono pronunciation,using alone,etc,a kind of learning machine with a video output is proposed.A new design concept is used on the learning machine with the aid of diagrams,rich sound and advanced intelligence.Especially,the contents of the learning machine can be displayed through external TV or projector equipment,which allows multiplayer interactive learning via large screen display,eliminates the costs of its own display,avoid the problem that the screen display is too small.

machine learning;video output;embedded;MCU

TP391.6

A

1674-6236（2014）13-0069-03

2013-11-15 稿件編號：201311142

廣東省高等教育學會2012年研究基金項目（GDJ2012035）

周俊生(1968—),男,廣東饒平人,碩士，工程師。研究方向:電子電路、電子工藝及焊接技術。