基于数字多媒体广播的考场同步时钟设计

张红升， 朱仁义， 王国裕， 潘 超

(重庆邮电大学 微电子工程重点实验室，重庆 400065)

·专题研讨——虚拟仿真实验(42)·

基于数字多媒体广播的考场同步时钟设计

张红升， 朱仁义， 王国裕， 潘 超

(重庆邮电大学 微电子工程重点实验室，重庆 400065)

基于数字多媒体广播(DMB)技术，设计了一款LED数字同步时钟。该时钟可实时接收DMB信号，解码出时间基准，并驱动LED点阵屏显示，所有时钟同步误差不超过1 s。除显示时间外，还可作为考场DMB接收机的信息显示终端，提供信号强度、告警等提示。与传统考场时钟相比，成本更低，同步性更好，更容易管理和维护，为现代化考场建设提供了新的信息化同步时钟解决方案。

数字多媒体广播； 同步时钟； 考试时钟

0 引 言

同步时钟是现代化教室的重要教学设备，为各类教学活动提供精确的时间参考。特别是在大型考试中，所有考场在时间上严格同步直接体现着考试的公平性和规范性。因此，同步时钟已成为标准化考场的必配设备[1]。

现有的考场时钟主要包括石英钟、光电钟、电波钟等。石英钟和光电钟是常规的时钟，具有成本低、功耗小的优势，但精度低，不能自动校时，运行一段时间后，必须人工重新校准，耗时耗力，且所有考场无法严格同步。电波钟是目前大多数考场使用的方案，它由位于河南商丘的国家授时中心通过长波发出标准时间信息[2]，在每个钟表内通过无线接收模块，对长波信号进行解调，获取时间信息[3]。电波钟的优势是信号传播远，可以在较大地理范围内实现同步。但我国幅员辽阔，很多地区信号非常微弱，再加上环境、气象等因素的影响(例如手机、电脑、荧光灯等都极易产生干扰电波)，使得许多考场的电波钟实际上根本无法自动校时。此外，上述时钟大都采用电池供电，需要定期更换，给日常维护带来麻烦。也有学者提出基于GPS的同步时钟[4-6]，但是GPS同样存在室内信号弱和易受干扰的问题。还有学者提出利用装置接收GPS时间，再遥控教室内的时钟进行校时[7]，但这需要逐间教室操作，增加了管理的工作量。

近年来，以数字多媒体广播(Digital Multimedia Broadcasting,DMB)[8-9]为核心的信息发布技术在高校中逐渐得到应用[10]。DMB非常适用于大型考试，音质不仅达到CD级别，而且内容可以编码，保密性好。除声音外，DMB还可以播发视频、图片、数据等信息[11]。一套DMB系统即可满足考场信息播报的所有要求。

DMB是完全数字化的广播系统，在发射信号中包含了精确的时间基准。因此，接收机完全可以利用这一信息，实现所有终端之间的精确时间同步。在已安装数字音频广播(Digital Audio Broadcasting,DAB)系统的学校，只需在已有接收机上增加时间显示装置即可，投入很低。同时，DMB同步数字时钟还具有如下优点：可借助DMB接收器直接供电，无需更换电池；抗干扰能力强；精准度高，同步性好；功能更多，除时间外，还可以显示其他信息。

本文介绍DMB同步时钟的设计方案。首先介绍系统的工作原理，在此基础上介绍同步接收和时间显示的设计，最后给出实验结果和结论。

1 系统原理

图1所示为含有精确时钟信息的DMB发射系统示意图。各路音频、视频、数据等业务内容经过信道编码后复用在一起，形成DMB主业务通道(MSC，Main Service Channel)数据流。每24 ms的MSC数据和快速业务通道(FIC，Fast Information Channel)数据(包括节目配置信息、GPS时间信息等)一起合成为DMB传输帧。该传输帧经过1536载波的OFDM调制后形成DMB基带信号。基带信号再经上变频和滤波放大后转变为射频信号发射出去[12]。

图1 DMB发射系统示意图

图2所示为面向考场应用的DMB接收终端示意图。图中DMB接收模块负责DMB信号的调谐、解调和音频解码，最终输出两路信号。其中一路为CD级的声音(如英语听力内容、考场规则等)，驱动喇叭播放；另一路为包含了时间信息的数据包，驱动并不断校准LED屏显示时间。由于DMB终端全都接收同一个DMB发射台的信息，故所有终端时间将保持严格同步。并且，由于DMB发射信号将持续校准终端时间，故能有效避免由于终端本振不准所带来的累计误差。

图2 DMB接收终端示意图

2 时间基准信息的发送

图1中的FIC数据包括了每个主业务成分在传输帧的起止位置、编码方法、保护等级等配置信息，这是接收端能够正确解析DMB传输帧数据所必需的。FIC信息进一步又是由快速信息组(FIG，Fast Information Group)所组成。DMB标准定义了大量的FIG用于传输不同的配置信息，其中用于传输时间的FIG为Fig0/10。

为了保证时间的准确性，发射端需要采集来自GPS的精准时间信息，并按照Julian时间格式进行编码，最后打包成Fig0/10数据包格式，插入DMB传输帧中，如图3所示。

图3 时间基准信息发送的示意图

由于DMB传输帧每96 ms合成一次，故本系统中时间基准信息的精度为96 ms。

3 时间基准信息的解码

DMB接收终端基于我校自主开发的DMB基带解码芯片ID200而开发。终端的结构如图4所示。工作原理为：DMB广播信号首先通过RF芯片从高频降为中频(中心频率2.048 MHz)；中频信号经过模数转换后送入ID200芯片，完成信道解码和解复用，从而恢复出MSC和FIC数据；MSC数据再经过ID200内部的音频解码器解码后输出数字声音，该声音信号再经过数模转换和放大后驱动喇叭播放；所有的FIC数据，包括时间基准数据FIG0/10，则通过ID200的数据接口输出给外部单片机。

图4 DMB接收终端结构图

ID200提供了DMB传输帧同步脉冲，外部单片机可利用该脉冲作为中断信号，定时的从ID200内部读取FIC数据。单片机从FIC数据中找出FIG0/10，解码后获得时间基准信息，该信息再经过USART接口送给时钟驱动电路。为方便时钟驱动电路判断时间基准信息的可靠度，USART接口还传递了DMB终端的信道误码率等关键状态信息。

需要说明的是，在已经安装了DMB系统的学校，DMB接收终端是共用的，并不需要额外的终端用于接收时间校准信息，这就大大降低了成本。

4 同步时钟控制模块的设计

4.1 LED驱动电路设计

考场中的时钟应具有辨识度高、可快速读取的特点。为达到这个要求，显示单元采用了64×32像素的LED点阵屏。LED点阵屏必须要控制板才能正确显示图形[13-14]。市面上许多LED驱动板支持时间显示，但却无法接收DMB的校准信息，因此无法在本系统中使用。为此，需要设计一款专门的LED控制板，以接收DMB时间基准信息并驱动LED显示。该控制板的结构如图5所示，核心器件为STM32单片机。

图5 LED控制板结构图

该控制板的工作原理如下：

(1) 利用STM32单片机的实时时钟(RTC)功能，产生一个间隔为32 ms的内部时钟计数器。

(2) 利用STM32单片机的内部中断，不停检测从USART接口发送过来的时间基准信息，并利用该信息实时校准第1步产生的RTC计数器。在DMB信号正常时，基准信息每隔96 ms就会到来，因此所有时钟将保持准确的同步。如DMB信号短时间丢失，由于RTC独立计数器的存在，时钟也能继续工作。

(3) 利用STM32来驱动LED屏显示时间。LED屏的驱动接口为并行的08接口，在任一瞬间接口上的数据可驱动8个像素点显示，再利用动态行扫描方式，逐次扫过屏幕上所有的点，最后得到显示图形。在本设计中，STM32单片机根据要显示的时间信息，从ASCII字模库中找到各个字符对应的点阵数组，按照行扫描方式，以一定的频率依次将数据送往LED屏。根据人的视觉惰性理论，只要保证每一行每秒钟能够点亮60次以上，即刷新频率高于60 Hz，就能保证人们所看到的LED屏显示图像全屏稳定。本设计采用64×32像素的LED屏，每次送8 bit数据，按照60 Hz的刷新率，则接口的数据速率应不小于64×32×60/8=15 360 bit/s。STM32单片机的GPIO输出速度可以达到2 Mbit/s以上，完全满足要求。

按照上述思路设计的软件流程如图6所示。首先开启串口并设置波特率为9 600 bit/s，同时开启RTC并设置中断间隔为32 ms；然后读取串口接收到的时间数据以及信道误码率，根据误码率判断数据是否可靠，如可靠，则对RTC进行校准，否则忽略该数据包中的时间信息；最后，将RTC计时器的数值转换为时间并驱动LED屏显示，如此循环运行。

图6 LED控制板单片机软件流程图

4.2 其他功能

为更加方便用户使用和管理，除显示实时间外，还增加了DMB接收信号强度指示和配置参数用户可修改功能。

(1) 信号强度指示功能可方便用户随时了解DAB接收终端的工作状态。在考试前的设备巡检中，通过观察信号强度指示信息，可快速判断发射信号和接收终端是否异常，避免事故发生。

在本设计中，LED控制板将通过USART接口接收到的信道误码率转换成信号强度，并通过LED屏最下方的横线来示意，横线的长短代表DAB信号的强弱。为了进一步加强提示，在LED控制板上还增加了蜂鸣器，当信道误码率高于某个阈值时，蜂鸣器将发出警报声，从而及时提醒管理部门。

(2) 市面上的LED点阵屏有多种型号，分别具有不同的极性(共阴极或共阳极)和扫描率(1/4扫描、1/8扫描、1/16扫描等)。为了提高LED控制板的通用性，增加了配置参数用户可修改功能。其原理如下:

首先将LED的不同配置与数据的处理对应起来。例如极性的不同，可通过对输出数据按位取反来适应；扫描率的不同，可通过改变数据的传送顺序来适应；亮度的调节，可以通过调整LED的亮灭时间比来完成。

然后利用STM32的内部Flash虚拟了一个小容量的U盘，将上述所有参数存储在名为config.txt配置文件，并放置于该虚拟U盘内。当用户需要修改某些参数时，将控制卡像U盘一样插入电脑，打开里边的config.txt文件，修改保存后，将LED控制卡与电脑断开连接，重新连接DMB接收器和LED屏，则通电后LED控制卡即按照新的配置开始工作。

包含了配置参数用户可修改功能的STM32单片机工作流程如图7所示。

图7 虚拟U盘读取流程

5 设计结果

按照上述思路设计的DMB同步LED时钟如图8所示。

图8 DMB同步LED时钟实物图

在实验室采用4块不同类型的LED屏制作了电子钟并进行了测试，测试结果表明：通过虚拟U盘的配置，所有LED屏均可正常工作；4块LED钟可保持精确同步，误差不超过1 s，满足标准化考场需求；LED电子钟可由DMB接收机提供的5 V直流电压工作，无需额外电池，工作电流120 mA左右，功耗约为0.6 W；信号指示和报警功能正确。

该电子钟于2015年8月在重庆交通大学109间标准化考场正式使用(见图9)。近1年的运行结果表明，系统工作稳定，所有教室的时钟一直保持良好同步，误差在1 s之内，与传统电波钟相比，成本更低，更易维护和管理。无论是平时还是考试，都提供高精度的时间参考，受到师生欢迎。

图9 DAB数字同步时钟在教室的应用

6 结 语

完成了基于DMB的数字同步时钟设计，具有准确度高、同步性好、管理方便的优势。已在重庆交通大学等单位获得正式应用，运行稳定，受到考试院的认可。

DMB已在全国十余家院校实施，并在不断的扩展普及。本文设计的基于DMB的多功能考场同步数字时钟可以借助于已安装的DMB接收器，只需增加一块LED屏和控制板即可实现，且比传统同步钟成本更低，同步性更好，更容易管理和维护，为现代化考场建设提供了先进的技术手段，具有良好的应用前景。

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Design of DMB-based Synchronous Clock for Large-Scale Examination

ZHANGHongsheng,ZHURenyi,WANGGuoyu,PANChao

(Key Lab of Microelectronics Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A asynchronous digital clock based on DMB (digital multimedia broadcasting) technology is designed. The clock receives DMB signal, decodes the time reference to calibrate the clock, and drives an LED panel for display. All clocks can be strictly synchronized with an error less than 1 second. In addition to time display, the designed clock can also be used as an information terminal for the DMB receivers installed in the examination room to indicate DMB signal strength and provide sound notification. Compared to the traditional solution, this design advances in lower cost, better synchronization performance, and is easier to manage and maintain. It provides a new method of intelligent simultaneous clock solution for the modern examination rooms.

digital multimedia broadcasting; synchronous clocks; examination clock

2016-05-12

国家自然科学基金项目(61401051);重庆市高等教育学会高等教育科学研究课题(CQGJ13C446);重庆市教育科学“十二五”规划2014年度规划课题/重庆市高等教育教学改革研究重点项目(2014-GX-006);重庆邮电大学校级教学改革项目(XJG1505)

张红升(1980-)，男，河南南阳人，博士，副教授，主要研究方向为数字多媒体广播技术及其在教育信息化的应用。

Tel.:13618275908; E-mail: zhanghs@cqupt.edu.cn

TH 714

A

1006-7167(2017)02-0058-04