一种新型交互电视遥控器软硬件设计研究

薛冬营，杨 云，张大元

（空军工程大学 导弹学院，陕西 三原 713800）

0 引言

交互电视是数字电视的一种应用，从纯粹意义上讲是指用户和电视机屏幕进行交互。电视为观众提供某些控制和选择，观众则根据个人的好恶选择自己喜欢的画面、声音。例如，观众可以通过电子节目单选择其感兴趣的节目，浏览当前播放节目的相关信息，或者在某一特定频道上显示当天所计划播出的全部内容[1]。然而，传统电视遥控器复杂度高，一直以来依靠“上、下、左、右”进行焦点平移的操作，公共焦点控制键每按动一次，焦点只限于按照水平或垂直2个方向逐格平移，不能在整个电视屏幕范围内随意移动，受众不能实现所见即所得的互动模式，严重制约了电视机屏幕内容的表现能力，很大程度上制约了数字电视互动内容的发展[2]。

为了适应人们对交互性的需求，各种新型电视遥控器应运而生。文献[2]介绍了一款新型数字家庭空间定位电视遥控器，它通过用户手握遥控器在空间的运动直接控制电视屏幕中的光标，并用精简的按键实现丰富的互动内容，实现“一键式操控模式”。该遥控器在一定程度上解决了交互的问题，但需要用户握住遥控器的手不停地在空间移动，这显然不符合人性化设计的要求。当前触摸技术已经广泛应用于各种需要交互的产品中，比如手机、掌上计算机、ATM柜员机以及各种查询终端等，其良好的交互性为实现电视遥控交互提供了一种途径。

笔者结合传统电视遥控技术和触摸屏技术，设计了一款触摸式电视遥控器，用户只需用手指在触摸屏上轻轻点击就能够轻松实现对电视机的控制和对屏幕的操作，从而使用户可以很方便地同电视机屏幕进行交互，真正做到了人机交互的人性化。

1 系统设计

1.1 系统组成模块及功能

触摸式电视遥控器的系统组成如图1所示，包括电源模块、触摸显示模块、控制模块和通信模块。

电源模块是遥控器正常工作的能源基础，本设计采用锂离子电池，并配有备用电池。遥控器自带充电插头，当锂离子电池电量过低时，启动备用电池，同时低电指示灯被点亮，提示用户及时充电。备用电池电量不足时，则会在闲置状态下通过锂离子电池进行充电。

触摸显示模块包括触摸屏和显示屏。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成，触模检测部件安装在LCD显示器屏幕前面，用于检测用户的触摸，接收后送至触摸屏控制器。而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给微处理器[3]。显示器上除了各种图形按键外，还有一块特殊区域，它的显示与电视机屏幕相同。当正常观看节目时，它只显示节目信息，而在进行设置或选择等操作时，则会与电视机屏幕显示相同的画面，用户可以通过触摸点击方便地进行设置或选择。

控制模块的核心是嵌入式微处理器，其功能是对整个系统进行管理和控制，另外还要存储系统程序，处理异常中断等。以其对触摸显示模块的控制为例，它不但要控制显示器的显示和更新，还要处理触摸屏的输入信息。当触摸屏上有信号输入时，控制模块对其进行编码后传向发射器；而当电视屏幕信息发生变化时，遥控器接收新的屏幕信息并由控制模块解码后，用来完成显示器的实时更新。

通信模块主要进行信号和数据的发送和接收，遥控器中的收发单元发送控制信号、接收数据信息，而主机中的收发单元则是接收控制信号、发送数据信息。控制信号是用户的输入信息经控制模块处理后产生的，用于控制电视机的行为和屏幕的显示，数据信息主要是与电视机屏幕显示有关的信息和一些电视节目的频道信息等。

1.2 系统硬件设计

触摸式电视遥控器硬件框图如图2所示，各模块所选硬件介绍如下。

图2 触摸式交互电视遥控器硬件框图

首先是触摸屏的选择，本系统采用五线电阻式触摸屏。该种触摸屏结构简单，工作环境与外界完全隔离，不怕灰尘、水汽和油污，可以用任何物体来触摸。与四线式相比，五线式触摸屏具有更高的可靠性、耐用性和精度。触摸屏控制器采用专门用于五线式电阻屏的ADS7845，它是一款具有12位取样模数转换、低导通电阻模拟开关的同步串行接口芯片。在125 kHz转换速率和2.7 V电压下的功耗为750 μW，而在关闭模式下的功耗仅为0.5 μW。因此，ADS7845以其低功耗高速率的特性，被广泛应用在小型手持设备触摸屏上。ADS7845采用SSOP-16引脚封装形式，温度范围是-40～+85℃[4]。

电源模块采用单节锂离子电池和备用纽扣锂电池为系统供电，此处涉及到电源管理和充电管理，需要有专门的芯片来完成。充电管理采用凌特公司的LTC4065芯片，如图3所示，LTC4065是一款用于单节锂离子电池的完整恒定电流/恒定电压线性充电管理芯片，可提供高达750 mA且准确度为5%的可设置的充电电流，并支持直接使用USB端口对单节锂离子电池进行充电。电源管理则采用LTC3407-2芯片，如图4所示，它是一款双输出、高效率、2.25 MHz恒定频率、同步降压型转换器电源芯片。输入电压范围为2.5～5.5 V，能够产生2个0.6～5 V的独立输出电压，能够从2个不同的通道提供高达800 mA的持续输出电流，非常适合应用于单节锂离子电池的管理。

控制模块的核心芯片采用三星公司S3C44BOX微处理器，它是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比和高性能的微控制器解决方案，它使用ARM7TDMI核，工作在66 MHz。为了降低系统总成本和减少外围器件，这款芯片内还集成了下列部件：8 kbyte存储，外部存储器控制器，LCD控制器，4个DMA通道，2通道UART，1个I2C总线控制器，1个I2S总线控制器，以及5通道PWM定时器和1个内部定时器，71个通用I/O口，8个外部中断源，实时时钟，8通道12位ADC等。

图5所示为信号发送单元使用的红外发射电路[5]，主要包括红外发射管和与门74LS08。信号经过放大后由红外发射二极管发送，与红外发射二极管并联的发光二极管在有发码时点亮，起到指示作用。

图5 红外发射电路

1.3 系统软件设计

触摸式电视遥控器软件结构如图6所示，其开发平台自底向上依次为：U-Boot（Universial Boot Loader），Linux，MiniGUI和应用程序。U-Boot的开发目标是支持尽可能多的嵌入式处理器和嵌入式操作系统。系统加电或复位后，首先运行U-Boot，U-Boot从Flash中将Linux内核镜像和根文件系统读入系统内存中，然后跳转到内存中的Linux内核入口，将控制权交给Linux。MiniGUI是我国自主开发的一个面向基于Linux的嵌入式图形用户界面系统，它采用微客户端/服务器模式来提供对多进程的支持，集成了多字体和多字符集。MiniGUI采用分层设计的层次结构，通过修改最底层的GAL（图形抽象层）和IAL（输入抽象层）移植到遥控器平台上。

图6 系统软件体系结构

本系统软件设计遵循模块化设计思想，系统功能由系统总控程序调用各子程序模块实现。系统程序主要包括系统主程序和系统初始化程序。主程序又包括电源管理子程序、显示子程序、触摸屏控制子程序、指令编码子程序、收发子程序以及中断处理子程序，初始化程序则要完成显示器、通信接口、电源模块等的初始化过程。

2 关键技术

2.1 触摸屏技术

触摸屏技术（Touch Screen Technology）是随着计算机技术的发展，为了满足非专业计算机用户操作计算机的需要而逐渐成熟与发展起来的[6]。触摸式电视遥控器利用该技术实现手指的位置跟踪，不但定位精确，而且操作方便。

触摸屏本质上是传感技术，根据传感器的类型，可将触摸屏分为4类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波触摸屏。它们的性能比较如表1所示。

表1 触摸屏性能比较

从以上比较可以看出，电阻式触摸屏具有适合小屏幕的独特优势和较高的灵敏性和经济性，最适合应用于触摸式电视遥控器。

2.2 无线通信技术

红外无线通信具有低功耗、低价格、低电磁干扰、高保密性等优点，在无线通信中得到了广泛的应用[7]。虽然其有效传输距离较短，但对于电视遥控器来说已经足够用了。因此，触摸式电视遥控器采用该技术向电视传输信号，实现无线通信。

其他常用的无线通信技术主要有27 MHz技术、2.4 GHz无线技术和蓝牙技术等。然而它们都不适合用于遥控器，原因在于：27 MHz技术无线安全级别较低；2.4 GHz无线技术不同产品的接收端和发送端之间不能通用；而蓝牙技术的成本太高。

2.3 遥控技术

红外遥控技术是红外技术、红外通信技术和遥控技术的结合，其工作原理如下：遥控信号编码发送器用以产生遥控编码脉冲，经过载波调制，驱动红外发射管输出红外遥控信号，红外接收器完成对遥控信号的放大、检波、整形，并调制出遥控编码脉冲。遥控编码脉冲是一组组连续的串行二进制码。对于一般的遥控系统，此串行码作为微控制器的遥控输入信号，由其内部CPU完成解码[8]。

红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式，适合应用于触摸式电视遥控器。红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其他电器设备。由于其无法穿透墙壁，所以各个房间的家用电器使用通用的遥控器而不会产生相互干扰。另外，它还可以进行多路遥控[9]。

3 小结

数字电视是电视发展的必然趋势，而随着技术的进步，大屏幕、高清晰、多功能、互动性的交互电视将成为数字电视的主导方向。因此，设计研究适用于交互电视的遥控器势在必行，意义重大。

本文所设计的触摸式电视遥控器主要特点在于将电视机屏幕信息移植到遥控器上，并能够进行触摸式操作，实现了远程触摸式控制。而且遥控器和电视机之间不再是单方向的控制，而是会相互影响。设计比较人性化，操作也比较简单，基本上能够满足现阶段的需要。但是随着人们的需求越来越多，交互电视的功能也将越来越多，人机交互操作也会更加复杂。因此，还需要设计功能更强、操作更方便和更加人性化的遥控设备，这也将是笔者下阶段努力的方向。

[1]徐济仁，陈家松.交互电视技术与发展[J].中国有线电视，2002（1）：12-14.

[2]周敏仪.数字家庭空间定位电视遥控技术的研究[J].电视技术，2009，33（10）：41-43.

[3]严盈富.触摸屏与PLC入门[M].北京：人民邮电出版社，2006：1-6.

[4]于乐淼.基于FS7803的五线触摸屏控制器的设计与实现[J].软件导刊，2008（12）：68-69.

[5]林铃，于德海.自学习红外遥控器的设计与实现[J].电脑知识与技术，2008，3（6）：1257-1259.

[6]张恩宜，张爱红.触摸屏技术的发展与应用[J].山东师大学报：自然科学版，2002，17（1）：93-94.

[7]徐荃，彭金花.红外无线通信技术研究[J].中国高新技术企业，2008（23）：136.

[8]张克芳，吴世龙.基于EM78P468单片机的红外遥控器的编程与开发[J].红外技术，2004，26（3）：49-52.

[9]吴媛媛，叶茂森.红外遥控技术浅析[J].广西轻工业，2009（1）：72-73.