可控式廣播系統 柳茂林黃郁升涂勤昕林依萱南華大學資訊工程學系 mlleou@mail.nhu.edu.tw 摘要 本論文是用單晶片微處理器 定址編解碼器 準位轉換介面與電容式麥克風等電路以有線傳輸的方式達成可控式廣播系統 應用於學校的廣播系統上, 可選擇班級進行廣播避免對其他上課中的班級造成干擾 本系統中, 我們以電容式麥克風當作音頻輸入, 用單晶片微處理器控制傳送的位址, 並利用定址編碼器將位址傳送出去 以準位轉換介面將原先電壓提升, 使控制信號可以傳得較遠 進入定址解碼器之前再以準位轉換介面將電壓降回原先的電壓準位 最後由定址解碼器解出相對的控制信號, 單晶片控制器再根據接收到的控制信號進行播音系統的開啟及關閉, 順利完成可控式的廣播系統! 此外在本系統中, 我們利用繼電器當作二對一多工器, 用來選擇要傳送聲音信號或控制信號, 這樣即可利用原先廣播系統的音源線達成可控式廣播系統的設計, 無須另外拉線, 使本系統與原先的廣播系統間的相容性提高, 在原有系統上簡易改變即可完成可控式的廣播系統 關鍵字 : 單晶片微處理器 定址編解碼器 準位轉換介面 電容式麥克風 可控式廣播系統 1. 前言 校園內常有各處室的廣播 不分時段, 有事通告就會利用麥克風廣播系統對全校師生廣播! 這樣的廣播方式相當不好 上課中, 會打斷老師們的教學 下課時, 會吵到想閉目養神的同學, 就連學校周圍的住戶也會受到干擾而向學校抗議 因此本論文中提出一套可針對特定班級來進行廣播的系統, 例如想找某位學生, 只要發送控制信號開啟那位學生班級的播音系統進行廣播, 這樣就不會對其他班級造成干擾 無須廣播的班級其播音系統會關閉, 如此不但能避免干擾上課中的同學, 還能降低噪音與電源的浪費! 對於可控式的廣播系統曾經有人使用無線廣播的方式來完成 [1], 但後來發現無線廣播系統有傳送品質不佳 訊號易受干擾 傳送過程中衰減較大等缺點 且現代人相當重視身體的健康, 對於電磁波問題相當在意 雖然政府一再強調國內發射台絕對在安全範圍內, 不過抗議聲音仍不斷 如果今天要在校內架設無線電發射台, 即使電磁波量非常少, 但讓孩子們暴露在電磁波中家長的意願不高 於是本論文決定採用有線的方式來傳輸, 有線傳輸較不易受干擾, 且傳送過程衰減較小, 於是聲音的品質可以提升, 最重要的是沒電磁波危害身體健康的情形 在本系統中, 單晶片微處理器是系統的核心, 可藉由程式控制多工器順利選擇進行控制位址信號或音頻信號的傳送, 無須另外拉線, 增加系統的可行性 單晶片微處理器先將要控制的位址及控制信號傳送給定址編碼器 定址編碼器利用亂碼調變的方式完成信號的編碼, 再利用準位轉換介面進行電壓提升以利信號的傳輸 接收端先將信號進行降壓的動作, 使定址解碼器不會損壞 當定址解碼器的位址與傳送端編碼器的位址相同時, 定址解碼器能解出控制信號, 再將信號傳給接收端的單晶片控制器進行播音系統的開啟及關閉順利進行廣播 如此即可在不增加線路的情形下進行可控式的廣播 2. 研究方法 本系統的整體架構圖如 (1), 整體系統以單晶片微處理器為整個系統的核心, 控制多工器來選擇控制信號或音頻信號的傳送, 首先選擇傳送控制信號, 即傳送接收的位址及控制信號給定址編碼器 再啟動傳送致能信號 當位址編碼器收到傳送致能信號後, 定址編碼器會將位址及控制信號以亂碼編碼方式傳送出去 準位轉換介面把定址編碼器的輸出信號電壓提升, 增加傳送距離 接收端接到控制信號後, 在進入定址解碼器前要利用準位轉換介面降低電壓, 防止定址解碼器被燒壞 再將信號傳給定址解碼器, 當定址編碼器傳來的位址與定址解碼器的位址相同時, 定址解碼器可解出控制信號並通知接收端的單晶片控制器已接收到控制信號, 單晶片微處理器再依控制信號內容決定播音系統的開啟或關閉 控制完成後, 傳送端的微處理器將多工器調回選擇聲音信號, 即可順利將音頻信號傳送出去, 此時有被開啟的廣播系統即可順利的廣播, 而關閉的廣播系統便可停止廣播, 不受干擾 接著我們對整體架構圖中的各個電路進行討論, 分別陳述如下 : 2.1 單晶片微處理器 單晶片微處理器是整個系統的核心, 無論是在運作上或控制上都很重要, 本系統中以組合語言撰寫單晶片微處理器的控制程式 [2] 進行廣播前, 由單晶片微處理器控制選擇多工器調到傳送位址及 第 1 頁
控制信號這端 接著單晶片微處理器依據使用者設定的位址開關情形將傳送的位址及控制信號發送到定址編碼器 輸入完成後, 單片微處理器再發出定址編碼器的傳送致能致能信號 當位址及控制信號傳送完成後, 再用單晶片微處理器命令多工器調到音頻輸入這端順利的將廣播傳送到相對的地方 廣播結束後微處理器發送關閉播音系統的控制信號給每個位址關閉喇叭電源, 以節省電力 2.2 電容式麥克風 本系統中的音源輸入是以電容式麥克風來完成, 麥克風是利用電晶體放大電路, 做前級的放大之後再利用音頻放大器加強其信號的傳送功率, 電晶體與放大器間所加之電容 C3 具耦合效果可去除直流成分, 避免放大器的輸出信號產生失真 [3] 經音效放大器放大訊號後的音源輸出, 訊號強度增大將可傳送的更遠 圖 (2) 是我們的電容式麥克風的測試電路圖, 可順利將聲波轉換成電的信號 2.3 定址編碼器 本系統中的定址編碼器主要是接受單晶片微處理器決定的傳送位址 控制信號, 並等待單晶片微處理器發出的致能信號後, 將控制信號傳送出去 圖 (3) 是定址編碼器的電路圖 [4] A0 到 A7 這 8 隻腳是傳送的位址, 可選擇 256 組位址, 由單晶片微處理器控制 AD8 到 AD11 是資料線, 這 4 隻腳可傳送開啟或關閉的控制信號, 單晶片微處理器可將開關的控制信號由此處傳送出去 圖中第 14 隻腳就是傳送致能腳, 接收到單晶片微處理器發出的致能信號後, 編碼後的信號會從 DOUT 傳送出去 2.4 準位轉換介面 為提升傳送距離, 本系統於傳送過程中需要將控制信號做電壓提升, 且在進入定址解碼器之前須將提升的信號降回定址解碼器可用承受的電壓 故本系統選擇用準位轉換介面達成提升及降低的目的 本系統是以 MAX-232[5] 來達成準位轉換, 其電路圖請參考圖 (4) 2.5 定址解碼器 定址解碼器會將收到的信號進行解碼, 當確認信號與定址解碼器具相同位址時, 定址解碼器就能將收到的控制信號解出, 接收端的單晶片控制器可根據收到的控制信號進行播音系統的電源開啟及關閉 圖 (5) 是定址解碼器的電路圖 [4] A0 到 A7 這 8 隻腳是位址的設定, 利用指撥式開關進行設定 控制信號經準位轉換介面降低後, 由 DIN 這隻腳進入 定址解碼器 定址解碼器會確認信號中的傳送位址是否與 A0 到 A7 的設定相同, 若相同就能解出控制信號, 不同則無任何動作 定址解碼器解完信號後, 由 VT(pin17) 隻腳發送收到信號通知給單晶片控制器 單晶片控制器再從 D8 到 D11 接收開啟或關閉的控制信號, 然後就能對播音系統進行開啟及關閉的控制 2.6 發送系統與接收系統 利用上述的單晶片微處理器 編解碼器 準位轉換器 麥克風播音器等電路我們設計出傳送與接收子系統, 傳送系統是以單晶片微處理器 電容式麥克風 定址編碼器 準位轉換介面 多工器及緩衝器等構成如圖 (6), 可順利的將播音信號 控制信號傳送給接收端, 圖 (7) 是我們所設計的接收系統, 由準位轉換介面 定址解碼器 單晶片微處理器 緩衝器及多工器等構成 可以順利接收到控制信號, 開啟或關閉播音系統, 完成可控式廣播系統 2.7 整體電路圖 根據上述的電路設計, 完成了利用單晶片微處理器 定址編解碼器 準位轉換器 麥克風 多工器及緩衝器等元件的可控式廣播系統如圖 (8) 可以依據需求順利開啟或關閉關播音系統 3. 實體測試 實際測試主要是確認系統上的定址編碼器 定址解碼器 準位轉換介面及麥克風電路等運作結果是否如預期的一樣, 並用手控的方式完成整體電路的雛形測試 首先做定址編碼器及定址解碼器的測試 利用指撥式開關來進行定址編碼器傳送位址 控制信號及致能信號的控制, 如此也方便更改位址及控制信號 定址解碼器這端是以發光二極體來觀察解出來的控制信號是否跟定址編碼器設定的相同 假使定址編碼器的傳送位址設定跟定址解碼器的接收位址一樣, 那麼定址編碼器的資料信號 AD8~AD11 的值便會在定址解碼器的資料輸出線 D8~D11 顯示出來, 我們在 D8~D11 輸出加上發光二極體, 即可由發光二極體的亮與不亮得知其解碼結果是否正確 請參考圖 (9), 我們確定定址編解碼器可正常的工作 接著對準位轉換介面進行測試, 利用示波器觀測其準位轉換情況, 我們利用波形產生器輸入 0~5V 的方波至圖 (4) 準位轉換器的第 11 隻接腳, 可以由第 14 隻腳觀測到 +12V~ -12V 的輸出提升信號, 如圖 (10) 接著再將接 14 隻腳連到 13 隻接腳即可在接腳 12 得出與 11 隻腳相同的波形, 請參考圖 (11), 完成信號的提升及降壓工作, 順利達成準位轉換工作 第 2 頁
最後將電容式麥克風及喇叭搭配多工器及先 前測試完成的準位轉換介面及定址編 解碼器做整 體雛形的測試, 使用兩個播音系統利用開關操作的 方式對系統進行測試, 確定本系統能對想要的廣播 位址進行廣播而不會對未開啟的播音系統進行廣 播 完成可控式廣播系統的實體電路如圖 (12), 最 後進行發送系統與接收系統間傳送距離之測試, 利 用單心線以每 10 米為一段, 進行測試, 本系統測 到 180 米時, 聲音依然很清楚控制信號動作正常, 因此可證實本系統確實可以用於正式的播音系統 中 接下來撰寫單晶片微處理器的程式, 搭配硬體 設計出四顆按鈕分別用來設定位址一 二開關以及 系統的重置 啟動, 本論文是使用 8051 組合語言 撰寫程式碼如下 : ORG 00H START: MOV P2,#0F0H CLR P2.6 SETB P0.2 JNB P0.2,B1 JMP START B1: 1 SETB P0.2 JNB P0.2,L1 JMP START L1: MOV P0,#0FFH JB P0.0,K1 L2: JB P0.1,K2 JMP SPK K1: MOV P1,#01H SETB P2.0 JMP L2 K2: MOV P1,#02H SETB P2.0 SPK: SETB P2.6 MOV R4,#10 RELAY: DJNZ R4,RELAY C1: SETB P0.3 JNB P0.3,B2 JMP C1 B2: 1 SETB P0.3 JNB P0.3,C2 JMP C1 C2: CLR P2.6 MOV P1,#01H CLR P2.0 MOV P1,#02H CLR P2.0 JMP START DELAY: MOV R5,#1 TT5: MOV R6,#250 T5: MOV R7,#198 DJNZ R7,$ DJNZ R6,T5 DJNZ R5,TT5 RET DELAY1: MOV R6,#50 T6: MOV R7,#198 DJNZ R7,$ DJNZ R6,T6 RET 4. 程式執行流程 單晶片微處理器程式一開始會判斷啟動開關是否被啟動 如果沒有, 程式會一直在這邊判斷啟動開關 如果啟動開關被啟動, 程式就會往下執行, 依序判斷每個位址開關的設定 程式設計上, 每個位址開關都會有一組自己的傳送位址及控制信號 若位址開關被啟動, 則單晶片微處理器會依照不同的位址開關發送相對的控制信號及傳送位址給定址編碼器, 並致能讓定址編碼器將處理過的信號傳送出去 而此時擁有相同傳送位址的定址解碼器才能解出控制信號, 然後用控制信號開啟廣播位址上的播音系統電源 等到單晶片微處理器依序判斷所有位址開關後, 單晶片微處理器控制多工器選擇進行聲音信號傳送, 接下來單晶片微處理器開始判斷關閉開關是否被啟動 在關閉開關被啟動之前使用者都能用麥克風對他所選擇的位址進行廣播 如果關閉開關被啟動, 單晶片微處理器控制多工器選擇進行控制信號的傳送, 並自動發送一個控制信號到每個廣播位址上關閉播音系統的電源, 最後程式會回到最開始的地方等待下一次廣播 程式流程圖如圖 (13) 5. 結論與未來展望 本系統是利用有線的方式來進行可控式的廣播 本系統只需利用原音源傳輸線可不必再另外拉線便可控制多個播音系統 即使上課中廣播, 也不會干擾到其他班級並降低噪音 沒廣播時, 系統會關閉播音系統的電源, 更能達到節省能源的目的! 此外, 因為是用有線的方式傳輸, 可較無線的系統得到較佳的聲音品質及無電波損害身體健康的問題 最重要的是可較無線的系統節省更多的成本, 第 3 頁
可在原系統上做些微的改變即完成本可控性的廣播系統, 相容性極高 雖然本系統可有效的提升聲音品質及完成可控式的廣播 但其控制信號僅利用準位提升的方式來加強其傳送的距離, 仍有不足之處, 未來希望使用 FSK 調變來取代目前準位轉換介面以提升信號的傳送距離 當然使用中繼器讓系統能做更長距離的廣播, 也是我們考慮的方法之一, 此外如何對傳送中的信號加密以達成可控式系統及兼具保密功能的廣播系統也是我們未來研究的方向 總之, 藉由本系統的完成將可使校園的廣播更人性化與合理化, 並達到節能減碳的效果, 提高教育的品質 6. 參考圖表 圖 2 電容式麥克風圖 圖 3 定址編碼器 圖 1 整體架構圖 第 4 頁
圖 4 準位轉換介面 圖 6 發送系統方塊圖 圖 5 定址解碼器 圖 7 接收系統方塊圖 第 5 頁
圖 8 可控式廣播系統完整電路圖 第 6 頁
圖 12 實體電路圖 圖 9 定址編 定址編 解碼器測試 圖 10 信號放大測試 圖 13 程式流程圖 參考文獻 鄭文義等 2004 義隆盃單晶片微控制器應用製 作大賽 摘要論文集 C-42 P.73 2004 年 [2] 楊明峰 單晶片設計實務 碁峯出版 2003 年四月 [3] James W. Nillsson Susan A. Riedel, Introductory Circuits for Electrical and Computer Engineering, Prentice-Hall, 2002 年. [1] 圖 11 信號降低測試 [4] HT-12E.pdf, data sheet, Holtek. [5] Max-232.pdf, data sheet, Texas Instruments. 第7頁