0 引 言

　　當前市場上實現電視電腦一體機解決方案主要有兩種方法：第一種方法是在現有的電視電路的基礎上增加數字解碼電路，然后外加PC 主板方案。這類方案在前幾年被廣泛采用，它主要是電視、電腦兩機的簡單組合，集成度低、成本較高。第二種是專用單芯片方案，這是目前智能云電視的主流方法。

　　它主要采用的是性能較差的嵌入式主控板，從而實現了智能云電視的上網功能，但芯片性能低，主控板電路較簡單，性能較差，故對PC 功能的支持有限，完成不了PC 機的正常工作，且成本較高，后期開發難度較大。本文提出第三種方法是智能電視電腦一體化方案，它通過改造傳統的PC 主板來解決。由于PC 主板功能強大，性能較高，而且其功能靈活多變，容易通過USB 接口接入觸摸屏，并通過觸摸屏輸入解決了傻瓜用戶不能使用鍵盤的苦惱，簡單化用戶的使用，是智能電腦電視一體機的傻瓜化應用，并支持語音輸入與輸出，能滿足未來家庭數字化需求，智能電視云化的物聯網的重要應用。

　　1 觸摸屏電視電腦一體機的實現方法

　　本方案是在PC 主板上增加模擬信號的接收和解碼，以及數字信號的接收和解碼電路，讓電視信號可以輸入PC 主板，從而實現智能云電視功能，并通過PC 主板上的USB3.0 接口接入觸摸屏，最終實現帶觸摸功能的電視電腦一體機，并支持傳統的鍵盤鼠標輸入操作，同時也支持麥克風輸入與音箱輸出。圖1 所示是帶有觸摸屏輸入功能的電視電腦一體機的電路框圖。

　　首先，本系統在PC 主板上增加模擬電路，用于實現模擬電視信號的接收。射頻模擬電視信號通過一體化調諧器（ 高頻頭） 接收，解調后輸出視頻信號，再送給主板上的模擬解碼芯片。同時，AV 輸入的模擬視頻信號或者S-VIDEO 輸入的模擬視頻信號也輸入到主板上的此解碼芯片。主板上的此模擬解碼芯片的作用是把各類模擬信號經過ADC 轉化成數字信號后再經過數字處理、解碼，最后輸出格式為ITU656 或ITU601 的數字信號。

　　其次，在PC 主板上增加數字電路，實現數字電視信號的接收。讓PC 主板接收數字電視信號比接收模擬信號并完成信號調制和解調相對復雜些，主板的數字電路通過高頻頭（ 調諧器） 接收射頻數字電視信號并完成信道解碼后輸出串行的TS 流。由于數字電視信號通常是加密的信號，這時還需對TS流進行解密操作。經過解密的TS 流最后送給芯片組，由此芯片組完成MPEG2 信源解碼。經芯片組動態降噪、去隔行處理、格式變換、圖像細節增強等處理操作后，標清和高清的電視信號被轉換成統一格式（ 如1 920×1 080 P/60 Hz） 的LVDS 信號，并送給LCD 顯示屏，完成電視信號的輸出，從而實現電視功能。由于PC 主板接口較豐富，USB 接口較多，且支持最新的USB3.0 接口，因此可以外接觸摸屏，完成觸摸功能的輸入操作，這也可以取代傳統的鍵盤與鼠標操作。另外，此主板還帶有音頻輸入輸出接口，可以完成聲音的輸入與輸出，此主板還支持目前四核的威盛處理器，支持最新的DDR3 內存。與傳統的嵌入式主板相比，此主板功能強大，不僅可以裝入嵌入式操作系統WINCE 或LINUX，也可以支持最新的WIN8 與ANDROID 系統。內帶2 個SATA 接口可以接硬盤和光驅，其余的USB3.0 接口，讓U 盤安裝ANDROID 等系統成為可能，且USB3.0 的速度較USB2.0 提高速度十倍以上。

　　2 個內帶的PS/2 接口可以支持傳統的鍵盤與鼠標輸入。

　　2 系統硬件實現

　　2.1 主板集成的主要器件選擇

　　由于觸摸輸入的電視電腦一體機市場前景較好，許多IT廠商（例如聯想）都在從傳統的IT 領域進軍家電領域，許多家電企業如海爾也努力進入IT 領域，因此電腦電視觸摸屏的結合的一體機產品成為了各大巨頭重要的競爭場所。Intel、AMD 和VIA 等更是不甘落后，相繼推出適合嵌入式應用的高集成度、低功耗CPU 和芯片組，甚至有的把CPU（1 GHz以上）、南橋、北橋及其他接口集成在一起。本主板集成選用1.2 GHz 威盛 QuadCore-E 四核 E 系列處理器或1.0 GHz 威盛Eden X2 處理器及最新的威盛VX11H 媒體系統芯片組，為微型化系統提供出色的計算性能。該系列屬于X86 體系，可運行WINDOWS8 和ANDROID4.X 嵌入式操作系統。從系統框圖中可以看出，在PC 主板的基礎上增加了數字高清電視高頻頭和信道解碼部分電路以及模擬信號高頻頭和標清信號的解碼電路，從而完成模擬電視與數字電視的接收功能，并通過USB3.0 接口連接觸摸屏，實現觸摸輸入取代傳統的鍵盤與鼠標輸入。通過PC 主板自帶的語音輸入輸出口完成語音的輸入輸出，實現標準的人機交流。采用最新的威盛EPIA-M920Mini-ITX 主板不僅節約了研發成本，減少了一體機的體積，還降低了功率，減少了發熱量。

　　2.2 PC 主板上的CPU 選取

　　威盛 QuadCore E 系列處理器集成 4 個 高性能 64 位核心，為嵌入式電視電腦一體機提供低功耗、高性能的多任務處理和出色的多媒體性能，四核64位最新處理器讓電視電腦一體機運行速度更快。威盛 QuadCore E 系列處理器采用低功耗、高性能的多核架構，可提供出色的多線程支持，實現低功耗的多任務執行、多媒體回放、高運算能力及互聯網瀏覽。

　　威盛 QuadCore E 系列處理器支持分布式處理，容易實現在各種多屏顯示環境中的應用。威盛 QuadCore E 系列處理器支持 64 位操作系統，還具有自適應超頻，擁有4 MB 二級高速緩存及 1 066 MHz V4 總線等一系列性能。其低功耗設計在業內處于領先地位，如主頻為 1.0+ GHz 的威盛 QuadCore E 系列處理器（超低功耗版本）熱設計功耗在無風扇配置下運行功率僅為 18 W.此外，威盛 QuadCore E 系列處理器還支持虛擬化技術，可在虛擬環境中運行相關軟件和應用，并對自身性能毫無影響。威盛 QuadCore E 系列處理器采用威盛 PadLock先進譯碼引擎，提供全球最快的 AES 加密，并實現了基于硬件的運行數據加密，是運行數據的內容保護和系統安全的重要工具。威盛 QuadCore E 系列處理器提供主頻為 1.0+ GHz、1.2+ GHz、1.46+ GHz 的三種型號產品，它采用最新的 40 nm制程工藝生產，21 mm × 21 mm 威盛 NanoBGA2 封裝，其核心尺寸僅為 11 mm × 6 mm，可與威盛C7、威盛Eden、威盛Nano X2 處理器系列及威盛 Eden E 處理器完全地針腳兼容。

　　2.3 一體機的主板和芯片組選擇

　　威盛EPIA-M920 Mini-ITX 主板基于業內標準的Mini-ITX 板型，尺寸為17 cm × 17 cm.后面板 I/O 包括 2 個千兆以太網接口（可選）、2 個 USB 3.0 接口、2 個 HDMI 接口、1個 VGA 接口、1 個 COM 接口、2 個 USB 2.0 接口及音頻輸入、輸出插孔及麥克風插孔。板載排針包括 2 個 LVDS、1 個USB 3.0 接口及額外的 4 個 USB 2.0 接口、2 個 SATA 接口、3個 RS232 接口支持 5 V/12 V 電壓、數字 I/O、LPC、1 個 SD卡（SDHC/SDXC）及 1 個 PCIe x4 卡槽。該主板最高可支持16 GB、1 333 MHz DDR3 內存，此外，還提供ATX 或直流電源支持。

　　威盛 VX11H 媒體系統芯片組支持 DirectX11 及 3D 立體顯示，它采用最新威盛 Chromotion 5.0 視頻處理器，提供高性能硬件高清視頻解碼。威盛Chromotion 5.0 視頻處理器在1 080 p 高清分辨率下為最新的MPEG-2、MPEG-4、VC1、WMV9 及高清H.264 視頻格式內容提供硬件加速，為用戶提供極為豐富的娛樂體驗。

　　2.4 一體機模擬解碼芯片選擇

　　目前常用的模擬/ 數字信號解碼芯片都支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解碼，有些芯片還集成了三通道高速ADC或HDMI 接收器等。主流的數字解碼芯片主要有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，選擇一體機的解碼芯片時還必須考慮其適應的市場，如北美市場要考慮CCD/V-CHIP和立體聲，歐洲市場則要考慮圖文電視接收和SCART 接口等。

　　此處的一體機解碼芯片選用功能較全的ADV744110 來支持10位數字處理。該芯片可支持PAL/NTSC/SECAM 多制式解碼，擁有兩路HDMI 高清輸入，并支持12 組模擬信號輸入，輸入的多類模擬信號可以是CVBS 全電視信號、YpbPr 分量信號、S-Video 亮色分離信號和RGB 基色信號，具有標清模擬信號去鋸齒濾波器，可節約外加額外的濾波器成本。ADV7441擁有四路150 MHz 帶寬的ADC，支持1 080 p 的高清信號輸入及SXGA 的RGB 信號輸入，可自動辨識電視系統（NTSC/PAL/SECAM） ， 具有VBI 功能， 軟件完成TELETEXT 和CCD/V-CHIP.數字輸出口可以是ITU656ITU601 數字色差編碼信號或者24 位的RGB 信號。

　　2.5 調諧器選擇

　　調諧器也稱高頻頭，它通常用鐵盒的屏蔽封裝。調諧器根據接收信號分為模擬、數字、數模一體化三種，其中有些數模一體化調諧器還具備信道解碼功能。調諧器從接收信號的制式上看，模擬信號調諧器可以做到全制式接收，數字信號調諧器的接收按地區分為DVB、ATSC、ISDB、DMB 等。

　　同時，數字信號接收還因傳輸的網絡不同，從而實現的信道編碼方式也不相同，如在歐洲有線網絡用DVB-C、地面廣播用DVB-T、衛星廣播用DVB-S、手持設備用DVB-H 等。

　　近年來體積更小的硅調諧器發展迅速，它不用鐵盒封裝，而是直接將硅集成電路焊接在電路板上，從而打破了傳統的調諧器概念，它具有體積小和成本低的優勢。本一體機的調諧器選用NXP 公司最新推出的新型數模一體化硅調諧器TDA18274，它不但兼容所有的模擬與數字電視標準（PAL、NTSC、DVB-T、SECAM、DVB-C 、ISDB-T、ATSC）， 而且TDA18274 芯片自身可將中頻信號送至數字中頻解調器TDA8296，從而完成模擬電視解調，并輸出CVBS 模擬電視信號，同時它把中頻信號也送到信道解碼器TDA10048，解出數字電視TS 流。這部分電路框圖如圖2 所示。

　　2.6 一體機的觸摸屏與液晶屏選取

　　觸摸屏（touch screen）又稱為觸控面板 、觸控屏。當人接觸屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺信號通過觸摸屏控制板轉化為電信號，送入CPU 芯片，經CPU 處理，傳送到各種外設顯示，從而完成人機交互。用觸屏的動作取代傳統的鍵盤與鼠標輸入，并借助液晶來顯示畫面，它是構建物聯終端，實現人機交互的最流行的傳感技術。觸摸屏分為電阻式、電容式與壓電式等。因為壓電式觸摸屏同時具有電容屏幕的多點觸摸觸感和電阻屏的精準穩定，有別于電容屏的是，即使戴著手套或是沾水手指仍能進行操作，所以我們選用壓電式觸摸屏。

　　液晶屏幕（包括LCD 顯示器和LED 顯示器）是以電流刺激液晶分子的方式產生點、線、面配合背部燈管構成畫面的。

　　和傳統的CRT 顯示器相比，它體積較大，畫面柔和，畫面不會閃爍，可以降低眼睛的疲勞，本設計選用LED 屏。

　　3 軟件系統選用

　　本方案中操作系統選用ANDROID4.X 系統，因為此操作系統能很好地支持觸摸輸入功能，而且此系統支持的應用軟件豐富，目前市場上的應用軟件幾乎不用任何修改都可以應用于這個平臺上。與現在市場上流行的一體機相比，本方案僅用一塊PC 主板即可實現觸摸功能的電腦電視一體機，既節約了成本，也簡化了安裝。由于采用ANDROID 系統，相比基于傳統WIN8 平臺的一體機，既大大節約了存儲空間和成本，也解決了目前市場觸摸一體機的啟動速度慢、體積龐大、安裝復雜、板線過多等問題。同時，它作為電視也改變了現在市面智能云電視網絡功能弱、運行速度慢、多塊板組合復雜、使用不方便的毛病。隨著CPU 速度提升，北南橋芯片的簡化，系統啟動時間變短，這些制約傳統PC 機目前不能在家電領域廣泛應用的瓶頸問題將得到徹底解決，即與PC 主板集成觸摸功能的電視功能一體機將成為未來數字家庭的必備首選。隨著觸摸屏輸入取代鍵盤鼠標，語音輸入成熟，用戶操作使用降低功耗，對于傳感器的響應多采用中斷觸發的方式。

　　3.3 服務器端軟件設計

　　服務器端的軟件設計中，采用Python 設計上位機，負責通過TCP 協議同嵌入式控制終端進行通信，將數據寫入數據庫，并且當有學生驗證信息傳來時，可以檢索數據庫進行核對。

　　數據庫采用Mysql，存放來自于無線傳感網的環境參數和狀態信息以及學生的驗證信息，并且可以進行成績和使用時間的統計。采用可以跨平臺的服務器端腳本技術PHP 創建一個動態網頁，PHP 跟Mysql 之間的結合相當好，有利于整個系統的穩定和高效。

　　圖3 所示是服務器端的監控頁面圖。

　　圖3 服務器端的監控頁面圖

　　4 結 語

　　物聯網目前還處于起步階段，發展和完善還需要不少的時間，但是必將成為一種新的趨勢，為人們的工作和生活帶來極大的便利。本設計方案實現了一個基于物聯網的智能實驗室的監控系統，通過將網頁服務器和數據庫架構在通用服務器上減輕了下層的工作量，提升了速度和性能，同時能夠加強系統的安全性。