基于cpld的多媒体教室中央控制系统的设计(编辑修改稿)

基于cpld的多媒体教室中央控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

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 MAX II 系列的CPLD。 Altera 推出的 MAX II 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 m嵌入 Flash 工艺，使其裸片尺寸仅为同样工艺器件的 1/4。 MAX II 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 MAX CPLD 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 MAX II 系列器件代替昂贵和不够灵活的小型 ASIC 和 ASSP。 MAX II 系列器件的主要特征有： （ 1）成本优化的架构：新型 MAX II CPLD 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： MAX II 器件是动态功耗较低的 CPLD； （ 3）高性能： MAX II 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： MAX II CPLD 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） ： MAX II 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 Multi Volt 内核 ： MAX II 架构支持 Multi Volt，允许器件在 、 或 电压环境下工作； （ 7） JATG 翻译器： MAX II CPLD 具有一种被称为 JATG 翻译器的功能，这种功能允许通过 MAX II 器件执行定制的 JTAG 指令，配置单板上不兼容 JTAG 协议的器长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 10 件，从而简化了单板管理； (8) I/O 能力： MAX II CPLD 的 I/O 能力加强了其易用性和系统集成能力。 MAX II系列器件 的可以在 Quartus II 软件中通过 VHDL 语言进行编程、调试和仿真。 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 41所示。 图 41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（ KM1KM4）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 42所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 11 图 42 电源控制器电路图 由图 42 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 43 所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 12 图 43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 44 电源控制模块强电部分原理框图 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 13 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 45所示。 图 45电动屏幕的控制模块原理方框图 电动屏幕弱电控制部分的电路图如下图所示。 图 46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 46中的第二个基本 RS 触发器（控制 KM）置 1 后需要复位，因此在第长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 14 二个基本 RS 触发器的 R 端用了一个或门，既两个输入信号 TurnOn 和 TurnOver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 KM 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 47 所示，其控制功能表如表 41所示。 图 47电动屏幕控制器（弱点部分）仿真图 表 41电动屏幕弱电控制功能表 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 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 禁止（ 0） 禁止（ 0） 0 1 1 1 0 0 1 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 15 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 48 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 48电动屏幕强电部分原理图 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 49 所示。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 16 图 49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 49 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 410 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。 长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文） 信息工程系 17 图 410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。 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 411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 412 所示。