带视频输出学习机的设计

周俊生，曾凡雄，谢再晋

（1.华南理工大学 广东 广州 510641;2.深圳市宝安区森汇镝科技有限公司 广东 深圳 518110）

带视频输出学习机的设计

周俊生1，曾凡雄2，谢再晋1

（1.华南理工大学 广东 广州 510641;2.深圳市宝安区森汇镝科技有限公司 广东 深圳 518110）

针对目前学习机屏幕小，功能内容单一，智能化不强，单声道发音，个人单用等特点，提出一种带视频输出的学习机，使用了全新的设计理念，图文并茂，声音丰富，智能程度高，将学习机里的内容通过外接电视机或投影设备显示出来，通过大屏幕显示可让多人互动学习。省去了自带显示屏的成本和避免了屏幕显示太小的问题。

学习机；视频输出；嵌入式；微处理器

目前市面上的学习机都存在屏幕小、机型小、功能和内容单一、智能化不强、单声道、价格较高等缺点。针对以上不足，设计一种带视频输出学习机，通过外接电视或投影设备显现出学习内容，供家长和学生互动学习；并设计了拼音汉字同步显示系统，将文章的拼音、汉字按系统规则放入指定文件中，再按MP3内容的播放时间排序，就可以通过视频输出显示，如《百家姓》的（车侯宓（fú）蓬），“宓”[1]字就可以通过拼音来认识它。同时也可以播放MP4格式的动漫文件。并且配置2.1声道的功放系统和木质音箱，使声音高、低音丰富。特别增加了话筒录放功能，可随录随放[2]。还设计可进行面板和遥控两种操作模式，让使用更加方便，使学习机更加智能化，人性化。

1 学习机系统设计方案

本学习机设计的方案是基于Linux操作系统的SC8636嵌入式微处理器来实现带拼音汉字、视频图像的学习资料播放[3]。总体结构框架图如图1所示，微处理器使用嵌入式微处理器SC8636芯片，连接4位LED数码管。SDRAM存储器是W9812G6JH-6，外接 NOR FLASH 用 MX25L1606E,E2PROM存储器采用AT24C02E。SD卡内置汉语拼音视频资源，外置USB接口。话筒声音放大电路IC是JRC4558D，数字控制立体声音质处理器CSC2313F，还有2.1声道的高保真功率放大模块YW2030和低音处理IC JRC4558D，外接音频输入端口,红外线遥控器接收模块IR LL-IRM0038B。

学习机系统软件的开发由微处理器SC8636自带，使用Linux操作平台对嵌入式微处理进行软件开发。

2 学习机的硬件设计

本设计硬件功能组合功能强大，系统复杂，但各模块之间的通信连接逻辑性强。下面介绍主要硬件组成模块以及EMC电磁抗干扰设计。

2.1 处理器电路

采用Silan提供的微处理器SC8636。SC8636是基于Linux操作系统的嵌入式芯片，专用于数字多媒体处理方案的单芯片电路，在支持 应用的同时还可提供卡、IDE等接口，从而适用于各种需要支持IPOD应用的音视频播放场合。处理器核由一个32位的RISC和一个64位DSP处理器组成，内部集成了音视频解码、TV信号编码、视频后处理、视频DAC、音频DAC等功能模块，同时为了充分利用外部SDRAM存储器，处理器还使用统一的存储器管理结构，电路中还内置USB全速主控制器和闪存卡接口。另外，SC8636还集成了高质量的隔行处理器和电视信号编码器，用于支持HD(720p/1080i)和MacrovisionTM(480p/576p)标准的逐行和隔行视频输出。图2是SC8636的系统框图。

图2 SC8636 MCU系统框图Fig.2 Schematic diagram of system of SC8636

2.2 存储器电路

本设计内部存储器采用NOR FLASH。NOR FLASH的特点是芯片内执行XIP(eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行。 NOR FLASH的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。考虑到成本和兼容性问题，本学习机选中了MXIC公司的NOR FLASH芯片MX25L1606E,大小为16 MB。经实验验证通过SPI与SC8636实现串行数据连接，能稳定在36 Mbps传输速率下进行数据传输。SPI串行传输即满足了传输效率和稳定性，又避免了增加过多的脚位排列。

外部存储器设计采用的8 GB SDHC卡，速度级别是CLASS4，可以流畅播放高清电视，也满足与数码相机连接的需求。SD卡内部存储了7.3 GB的内容，共计二十个篇章，其中国学的拼音、汉字共计44万字。

2.3 话筒输入及功放输出

设计中话筒输入电路作用是对话筒输入的微弱信号进行放大并使之电平适合后级电路的需要，对输入的声音信号进行一些修饰，使声音听起来更加悦耳。电路中采用的是动圈式（600欧阻抗）高增益的话筒。话筒输出后级信号放大采用的是通用的双运放JRC4558D IC。第1级放大器采用的是反相比例运算电路[4]。第1级放大器反向增益VA=-22K/4.7K=6.7倍，后级放大主要用于再反向还原信号相位和信号整形。同时还通过SC8636的OP1脚增加了1个话筒检测静噪功能。

话筒信号处理分如下两种方式：

1）声音直接放大：话筒通过JRC4558D运算放大器，再送入 直接输出到音调控制电路到功放直接放大输出。

2）录音播放功能：按下面板或遥控器的REC按键，则表示是使用话筒录音功能，此时喇叭将不会送出话筒说话的声音，这时SC8636将把JRC4558D送过来的音频信号直接存储到SD卡，每1次录音的时间最长不超过5分钟。同时面板4位LED数码管将显示录音的时间，中途再按下REC键，则停止录音。此时按下播放键，播放刚才录音的内容。播放完后，再次要录音时，将自动清除上次录音的内容。

2.4 其他模块设计

本学习机主面板设置了9个主功能按键，在无遥控器的情况下，完成学习机的播放操作功能，这9个功能键包括播放/暂停，音量加减，上一曲，下一曲，单曲重复播放，MP3/MP4转换，录音和待机。此按键直接由SC8636功能脚进行矩阵组合实现。

面板显示采用4位七段共阳数码管显示。由4只8550 PNP三极管供电。三极管的基极由SC8636控制输出，可显示内容包括曲目时间，曲目序号，音量和音调指示，英语字符等。

学习机还设计了红外无线遥控（IR）操作功能,遥控距离设定为水平距离大于5M的范围。IR模块采用的是佳光公司的LL-IRM0038B,IR遥控器采用的是东帝斯公司的884-TO-002A遥控器，遥控器用CR2025 3V钮扣电池供电。

VIDEO OUT电路通过SC8636直接输出，经过阻抗匹配，可连接到电视机和投影设备，从而还原视频图像。

2.5 抗干扰设计

对于一个即有数字信号又有模拟信号的视频播放系统的设计来说，要对它们进行分别接地和信号有效地隔离对系统来说是非常重要的。因此电路板在布线排版过程中对数字地和模拟地进行了严格的区分并且尽力遵循抗干扰布线规则，来以提高系统的抗干扰性能。数字地与模拟地分开,接地线尽量粗,接地线构成闭环路[5]。SC8636微处理器部份引脚接上拉电阻，保证引脚呈高电平的稳定性，并减轻微处理内部供电负载压力，减少IC本身的功耗。同时也将悬空引脚接地，防止悬浮电压的产生。

3 学习机软件的设计及应用设置

3.1 MCU软件的启动流程及设计

本学习机系统软件的开发主要由微处理器SC8636自带，使用的是Linux操作平台对嵌入式微处理进行的软件开发。微处理器SC8636内部有SARAM地址和固化的ROM,当系统上电的时候，将执行固化ROM中的代码，然后检查硬件的GPIO配置，把NOR FLASH前8K读入内部的SARAM中，下一步进行初始化界面。因本学习机系统软件应用流程复杂，以下将列举2个典型流程加以说明。

3 .1 .1 汉字拼音视频输出软件启动流程

图3是汉字/拼音视频输出程序流程图。本学习机启动时，首先开始进入初始化用户界面。然后同步启动LRC文件MP3文件，再分别处理LRC的汉字，拼音时间信息和MP3的时间信息。第 步是同步 播放时间信息和拼音，汉字显示。第4步调整汉字，拼音的宽度，最后再AV输出要播放的内容。

图3 汉字/拼音视频程序输出流程图Fig.3 Flow chart of outputting Chinese characters and pinyin video

3 .1 .2 话筒录音保存输出软件启动流程

图4是话筒录音保存输出程序启动流程图。学习机首先开始进入初始化用户界面，启动录音功能，系统分2个方向同时进行:1个方向是初始化MP3录音，清除先前的录音文件，创建1个新的临时文件，用于存放录音的内容;另1个方向是启动MIC输入，系统再读取MIC的内容到内存。以上两个步骤同时会合后启动MP3编码，再进行MP3编码后，最后写入临时文件到SD卡保存后播放。

图4 话筒录音保存输出程序流程图Fig.4 Flow chart of the software saving and outputting of MIC

3.2 拼音汉字视频在TV上显示方式的设置

本学习机传统文化部份共502篇文章，每1篇文章在屏幕上均可显示拼音，汉字，句子等。每一屏幕可显示共12行，6行拼音，再对应6行汉字，即上一行是拼音，下一行则是相对应发声的汉字。并且每一行最多可显示20个带标点符号的汉字。右上角有播放时间的显示，左上角在操作时也有播放状态显示，如播放，暂停，重复等等。视频显示是像素达到标清的标准720×576的分辨率。图5是文章《女史箴》拼音/汉字显示的示例。

图5 《女史箴》拼音汉字显示示例Fig.5 Example of pinyin and Chinese characters come from＜The history of women Zhen＞

3.3 LRC格式的国学拼音汉字的输入设置

以图6所显示的内容为例，必须要有2部份组合才能完成，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，图6就是《女史箴》LRC格式的文件样板的其中一部份内容，每个LRC文件抬头都需要写入[ar:]；[al:]；[offset:]抬头，这样才能在TV上显示正确的内容。并且在LRC内容中从第一行算起直到12行，每一行的时间必须是一样的，这样在TV上才能显示对应的拼音，汉字为一屏幕。并且LRC前面设置的时间要与MP3播放内容的时间一致，这样才不会造成播音和显示不同步。本学习机中共有502篇国学文章，共计有442499个拼音，包括通假字[6]（如：第191篇文章《庄子天下第三十三》里的滑釐(xī)通假字“禧(xī)”等），均已制作成LRC格式。

图6 《女史箴》LRC格式的部份内容Fig.6 LRC format of＜The history of women Zhen＞

4 结论

本设计就是把SC8636微处理器[7-9]合理的应用到学习机中，使学习机发挥它的最大功能。样机已由深圳森汇镝科技有限公司试制。它不但可以通过读取学生U盘里课本资料来播放，用来学习课本上的知识，也可以作为学生学习课本和国学文化的可视可听可录的工具，提高中小学生的学习兴趣。本学习机也可考虑在适当增加成本的情况下，将目前视频输出升级为高清1080i模式，将模拟功放升级为数字功放，这样可使本学习机更适应市场需求。

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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 稿件编号：201311142

广东省高等教育学会2012年研究基金项目（GDJ2012035）

周俊生(1968—),男,广东饶平人,硕士，工程师。研究方向:电子电路、电子工艺及焊接技术。