基于ANDROID4.X的智能电视电脑一体机的设计方案 - 全文

　　0 引 言

　　当前市场上实现电视电脑一体机解决方案主要有两种方法：第一种方法是在现有的电视电路的基础上增加数字解码电路，然后外加PC 主板方案。这类方案在前几年被广泛采用，它主要是电视、电脑两机的简单组合，集成度低、成本较高。第二种是专用单芯片方案，这是目前智能云电视的主流方法。

　　它主要采用的是性能较差的嵌入式主控板，从而实现了智能云电视的上网功能，但芯片性能低，主控板电路较简单，性能较差，故对PC 功能的支持有限，完成不了PC 机的正常工作，且成本较高，后期开发难度较大。本文提出第三种方法是智能电视电脑一体化方案，它通过改造传统的PC 主板来解决。由于PC 主板功能强大，性能较高，而且其功能灵活多变，容易通过USB 接口接入触摸屏，并通过触摸屏输入解决了傻瓜用户不能使用键盘的苦恼，简单化用户的使用，是智能电脑电视一体机的傻瓜化应用，并支持语音输入与输出，能满足未来家庭数字化需求，智能电视云化的物联网的重要应用。

　　1 触摸屏电视电脑一体机的实现方法

　　本方案是在PC 主板上增加模拟信号的接收和解码，以及数字信号的接收和解码电路，让电视信号可以输入PC 主板，从而实现智能云电视功能，并通过PC 主板上的USB3.0 接口接入触摸屏，最终实现带触摸功能的电视电脑一体机，并支持传统的键盘鼠标输入操作，同时也支持麦克风输入与音箱输出。图1 所示是带有触摸屏输入功能的电视电脑一体机的电路框图。

　　

　　首先，本系统在PC 主板上增加模拟电路，用于实现模拟电视信号的接收。射频模拟电视信号通过一体化调谐器（ 高频头） 接收，解调后输出视频信号，再送给主板上的模拟解码芯片。同时，AV 输入的模拟视频信号或者S-VIDEO 输入的模拟视频信号也输入到主板上的此解码芯片。主板上的此模拟解码芯片的作用是把各类模拟信号经过ADC 转化成数字信号后再经过数字处理、解码，最后输出格式为ITU656 或ITU601 的数字信号。

　　其次，在PC 主板上增加数字电路，实现数字电视信号的接收。让PC 主板接收数字电视信号比接收模拟信号并完成信号调制和解调相对复杂些，主板的数字电路通过高频头（ 调谐器） 接收射频数字电视信号并完成信道解码后输出串行的TS 流。由于数字电视信号通常是加密的信号，这时还需对TS流进行解密操作。经过解密的TS 流最后送给芯片组，由此芯片组完成MPEG2 信源解码。经芯片组动态降噪、去隔行处理、格式变换、图像细节增强等处理操作后，标清和高清的电视信号被转换成统一格式（ 如1 920×1 080 P/60 Hz） 的LVDS 信号，并送给LCD 显示屏，完成电视信号的输出，从而实现电视功能。由于PC 主板接口较丰富，USB 接口较多，且支持最新的USB3.0 接口，因此可以外接触摸屏，完成触摸功能的输入操作，这也可以取代传统的键盘与鼠标操作。另外，此主板还带有音频输入输出接口，可以完成声音的输入与输出，此主板还支持目前四核的威盛处理器，支持最新的DDR3 内存。与传统的嵌入式主板相比，此主板功能强大，不仅可以装入嵌入式操作系统WINCE 或LINUX，也可以支持最新的WIN8 与ANDROID 系统。内带2 个SATA 接口可以接硬盘和光驱，其余的USB3.0 接口，让U 盘安装ANDROID 等系统成为可能，且USB3.0 的速度较USB2.0 提高速度十倍以上。

　　2 个内带的PS/2 接口可以支持传统的键盘与鼠标输入。

　　2 系统硬件实现

　　2.1 主板集成的主要器件选择

　　由于触摸输入的电视电脑一体机市场前景较好，许多IT厂商（例如联想）都在从传统的IT 领域进军家电领域，许多家电企业如海尔也努力进入IT 领域，因此电脑电视触摸屏的结合的一体机产品成为了各大巨头重要的竞争场所。Intel、AMD 和VIA 等更是不甘落后，相继推出适合嵌入式应用的高集成度、低功耗CPU 和芯片组，甚至有的把CPU（1 GHz以上）、南桥、北桥及其他接口集成在一起。本主板集成选用1.2 GHz 威盛 QuadCore-E 四核 E 系列处理器或1.0 GHz 威盛Eden X2 处理器及最新的威盛VX11H 媒体系统芯片组，为微型化系统提供出色的计算性能。该系列属于X86 体系，可运行WINDOWS8 和ANDROID4.X 嵌入式操作系统。从系统框图中可以看出，在PC 主板的基础上增加了数字高清电视高频头和信道解码部分电路以及模拟信号高频头和标清信号的解码电路，从而完成模拟电视与数字电视的接收功能，并通过USB3.0 接口连接触摸屏，实现触摸输入取代传统的键盘与鼠标输入。通过PC 主板自带的语音输入输出口完成语音的输入输出，实现标准的人机交流。采用最新的威盛EPIA-M920Mini-ITX 主板不仅节约了研发成本，减少了一体机的体积，还降低了功率，减少了发热量。

　　2.2 PC 主板上的CPU 选取

　　威盛 QuadCore E 系列处理器集成 4 个 高性能 64 位核心，为嵌入式电视电脑一体机提供低功耗、高性能的多任务处理和出色的多媒体性能，四核64位最新处理器让电视电脑一体机运行速度更快。威盛 QuadCore E 系列处理器采用低功耗、高性能的多核架构，可提供出色的多线程支持，实现低功耗的多任务执行、多媒体回放、高运算能力及互联网浏览。

　　威盛 QuadCore E 系列处理器支持分布式处理，容易实现在各种多屏显示环境中的应用。威盛 QuadCore E 系列处理器支持 64 位操作系统，还具有自适应超频，拥有4 MB 二级高速缓存及 1 066 MHz V4 总线等一系列性能。其低功耗设计在业内处于领先地位，如主频为 1.0+ GHz 的威盛 QuadCore E 系列处理器（超低功耗版本）热设计功耗在无风扇配置下运行功率仅为 18 W.此外，威盛 QuadCore E 系列处理器还支持虚拟化技术，可在虚拟环境中运行相关软件和应用，并对自身性能毫无影响。威盛 QuadCore E 系列处理器采用威盛 PadLock先进译码引擎，提供全球最快的 AES 加密，并实现了基于硬件的运行数据加密，是运行数据的内容保护和系统安全的重要工具。威盛 QuadCore E 系列处理器提供主频为 1.0+ GHz、1.2+ GHz、1.46+ GHz 的三种型号产品，它采用最新的 40 nm制程工艺生产，21 mm × 21 mm 威盛 NanoBGA2 封装，其核心尺寸仅为 11 mm × 6 mm，可与威盛C7、威盛Eden、威盛Nano X2 处理器系列及威盛 Eden E 处理器完全地针脚兼容。

　　2.3 一体机的主板和芯片组选择

　　威盛EPIA-M920 Mini-ITX 主板基于业内标准的Mini-ITX 板型，尺寸为17 cm × 17 cm.后面板 I/O 包括 2 个千兆以太网接口（可选）、2 个 USB 3.0 接口、2 个 HDMI 接口、1个 VGA 接口、1 个 COM 接口、2 个 USB 2.0 接口及音频输入、输出插孔及麦克风插孔。板载排针包括 2 个 LVDS、1 个USB 3.0 接口及额外的 4 个 USB 2.0 接口、2 个 SATA 接口、3个 RS232 接口支持 5 V/12 V 电压、数字 I/O、LPC、1 个 SD卡（SDHC/SDXC）及 1 个 PCIe x4 卡槽。该主板最高可支持16 GB、1 333 MHz DDR3 内存，此外，还提供ATX 或直流电源支持。

　　威盛 VX11H 媒体系统芯片组支持 DirectX11 及 3D 立体显示，它采用最新威盛 Chromotion 5.0 视频处理器，提供高性能硬件高清视频解码。威盛Chromotion 5.0 视频处理器在1 080 p 高清分辨率下为最新的MPEG-2、MPEG-4、VC1、WMV9 及高清H.264 视频格式内容提供硬件加速，为用户提供极为丰富的娱乐体验。

　　2.4 一体机模拟解码芯片选择

　　目前常用的模拟/ 数字信号解码芯片都支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解码，有些芯片还集成了三通道高速ADC或HDMI 接收器等。主流的数字解码芯片主要有ADI 公司的ADV7184/ADV7403/ADV7441、TI 公司的TVP5147/TVP5160、NXP 公司的SAA711x、MICRONAS 公司的VPC3230D、 PW公司的PW2300/PW3300 等。另外，选择一体机的解码芯片时还必须考虑其适应的市场，如北美市场要考虑CCD/V-CHIP和立体声，欧洲市场则要考虑图文电视接收和SCART 接口等。

　　此处的一体机解码芯片选用功能较全的ADV744110 来支持10位数字处理。该芯片可支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解码，拥有两路HDMI 高清输入，并支持12 组模拟信号输入，输入的多类模拟信号可以是CVBS 全电视信号、YpbPr 分量信号、S-Video 亮色分离信号和RGB 基色信号，具有标清模拟信号去锯齿滤波器，可节约外加额外的滤波器成本。ADV7441拥有四路150 MHz 带宽的ADC，支持1 080 p 的高清信号输入及SXGA 的RGB 信号输入，可自动辨识电视系统（NTSC/PAL/SECAM） ， 具有VBI 功能， 软件完成TELETEXT 和CCD/V-CHIP.数字输出口可以是ITU656ITU601 数字色差编码信号或者24 位的RGB 信号。

　　2.5 调谐器选择

　　调谐器也称高频头，它通常用铁盒的屏蔽封装。调谐器根据接收信号分为模拟、数字、数模一体化三种，其中有些数模一体化调谐器还具备信道解码功能。调谐器从接收信号的制式上看，模拟信号调谐器可以做到全制式接收，数字信号调谐器的接收按地区分为DVB、ATSC、ISDB、DMB 等。

　　同时，数字信号接收还因传输的网络不同，从而实现的信道编码方式也不相同，如在欧洲有线网络用DVB-C、地面广播用DVB-T、卫星广播用DVB-S、手持设备用DVB-H 等。

　　近年来体积更小的硅调谐器发展迅速，它不用铁盒封装，而是直接将硅集成电路焊接在电路板上，从而打破了传统的调谐器概念，它具有体积小和成本低的优势。本一体机的调谐器选用NXP 公司最新推出的新型数模一体化硅调谐器TDA18274，它不但兼容所有的模拟与数字电视标准（PAL、NTSC、DVB-T、SECAM、DVB-C 、ISDB-T、ATSC）， 而且TDA18274 芯片自身可将中频信号送至数字中频解调器TDA8296，从而完成模拟电视解调，并输出CVBS 模拟电视信号，同时它把中频信号也送到信道解码器TDA10048，解出数字电视TS 流。这部分电路框图如图2 所示。

　　

　　2.6 一体机的触摸屏与液晶屏选取

　　触摸屏（touch screen）又称为触控面板 、触控屏。当人接触屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉信号通过触摸屏控制板转化为电信号，送入CPU 芯片，经CPU 处理，传送到各种外设显示，从而完成人机交互。用触屏的动作取代传统的键盘与鼠标输入，并借助液晶来显示画面，它是构建物联终端，实现人机交互的最流行的传感技术。触摸屏分为电阻式、电容式与压电式等。因为压电式触摸屏同时具有电容屏幕的多点触摸触感和电阻屏的精准稳定，有别于电容屏的是，即使戴着手套或是沾水手指仍能进行操作，所以我们选用压电式触摸屏。

　　液晶屏幕（包括LCD 显示器和LED 显示器）是以电流刺激液晶分子的方式产生点、线、面配合背部灯管构成画面的。

　　和传统的CRT 显示器相比，它体积较大，画面柔和，画面不会闪烁，可以降低眼睛的疲劳，本设计选用LED 屏。

　　3 软件系统选用

　　本方案中操作系统选用ANDROID4.X 系统，因为此操作系统能很好地支持触摸输入功能，而且此系统支持的应用软件丰富，目前市场上的应用软件几乎不用任何修改都可以应用于这个平台上。与现在市场上流行的一体机相比，本方案仅用一块PC 主板即可实现触摸功能的电脑电视一体机，既节约了成本，也简化了安装。由于采用ANDROID 系统，相比基于传统WIN8 平台的一体机，既大大节约了存储空间和成本，也解决了目前市场触摸一体机的启动速度慢、体积庞大、安装复杂、板线过多等问题。同时，它作为电视也改变了现在市面智能云电视网络功能弱、运行速度慢、多块板组合复杂、使用不方便的毛病。随着CPU 速度提升，北南桥芯片的简化，系统启动时间变短，这些制约传统PC 机目前不能在家电领域广泛应用的瓶颈问题将得到彻底解决，即与PC 主板集成触摸功能的电视功能一体机将成为未来数字家庭的必备首选。随着触摸屏输入取代键盘鼠标，语音输入成熟，用户操作使用降低功耗，对于传感器的响应多采用中断触发的方式。

　　3.3 服务器端软件设计

　　服务器端的软件设计中，采用Python 设计上位机，负责通过TCP 协议同嵌入式控制终端进行通信，将数据写入数据库，并且当有学生验证信息传来时，可以检索数据库进行核对。

　　数据库采用Mysql，存放来自于无线传感网的环境参数和状态信息以及学生的验证信息，并且可以进行成绩和使用时间的统计。采用可以跨平台的服务器端脚本技术PHP 创建一个动态网页，PHP 跟Mysql 之间的结合相当好，有利于整个系统的稳定和高效。

　　图3 所示是服务器端的监控页面图。

　　

　　图3 服务器端的监控页面图

　　4 结 语

　　物联网目前还处于起步阶段，发展和完善还需要不少的时间，但是必将成为一种新的趋势，为人们的工作和生活带来极大的便利。本设计方案实现了一个基于物联网的智能实验室的监控系统，通过将网页服务器和数据库架构在通用服务器上减轻了下层的工作量，提升了速度和性能，同时能够加强系统的安全性。