傳統教學中， 教師以黑板和粉筆為最主要的教學用具， 這種教學手段單一， 課堂效率低， 不能激起學生學習的興趣。多媒體輔助教學模式的興起， 彌補了傳統教學的不足， 在實際操作中教師在進行多媒體演示時， 要不時地進行鼠標操作， 使之不得不中斷與學生的互動。無線遙控教鞭是一個很好的解決方案。

1 系統框架

整個系統由發(fā)射電路、接收電路和計算機軟件三部分組成。發(fā)射部分， 即手持教鞭部分， 以日本NEC 的uPD6121G 為控制核心。首先， 當按下按鍵后， 掃描鍵盤得到遙控碼， 不同的鍵值對應不同的編碼信息， 此鍵值信息代表著向計算機中演示的軟件PowerPoint 發(fā)送的控制命令， 然后將此編碼信息經調制后由紅外發(fā)光管向外發(fā)射。接收部分的控制核心為TI 公司推出的低功耗MSP430 單片機， 主要完成發(fā)射端傳送來的紅外調制信息的接收和解碼操作， 將解析出的控制命令信息經串口轉USB 接口傳送至計算機， 此硬件模塊可直接插在計算機的USB 接口中， 直接由USB 接口供電； 計算機中的上位機軟件采用C# 編寫， 使用Microsoft Studio 2005 自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對象接收到數據時， 將在輔助線程上引發(fā)DataReceived 事件。處理此事件， 得到從串口發(fā)送來的控制命令數據信息， 實現控制多媒體演示軟件PowerPoint 的目的。系統框架如圖1 所示。


2 硬件系統

2.1 紅外遙控發(fā)射模塊

通用紅外遙控發(fā)射電路由編/解碼專用集成電路芯片uPD6121G 進行控制操作，發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調制、LED 紅外發(fā)送器等部分。電路原理圖如圖2 所示。

日本NEC 公司的uPD6121G 組成發(fā)射電路的編碼原理描述如下， 當發(fā)射器按鍵按下后， 即有遙控碼發(fā)出， 所按的鍵不同遙控編碼也不同， 具有以下特征： 采用脈寬調制的串行碼， 以脈寬為0.565 ms 、間隔0.56 ms 、周期為1.125 ms 的組合表示二進制的“0” ； 以脈寬為0.565 ms 、間隔1.685ms 、周期為2.25 ms 的組合表示二進制的“1”， 其波形如圖3 所示。

上述“0” 和“1” 組成的32 bit 二進制碼， 經38 kHz 的載頻進行二次調制以提高發(fā)射效率， 達到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發(fā)射二極管產生紅外線向空間發(fā)射， 如圖4 所示。

由圖可知， 遙控編碼是連續(xù)的32 bit 二進制碼組， 其中前16 bit 為用戶地址和地址反碼， 防止不同機型互相干擾， 后16 bit 為用戶操作碼和操作反碼， 也可以稱為功能碼。本次設計就采用此種紅外遙控。

2.2 紅外遙控接收模塊

接收電路使用一體化紅外接收頭HS0038 ， 接收紅外信號頻率為38 kHz ， 接收距離可達35 m。它能將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身， 并且輸出可以讓單片機識別的TTL 信號， 這樣大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作， 方便使用。其與單片機連接原理圖如圖5 所示， 由單片機采集紅外遙控命令并在內部完成解碼工作。


2.3 基于PL2302 的串口轉USB 接口模塊

由于RS232 標準串行接口已逐漸在電腦主板中淘汰， 為了充分利用USB 接口即插即用的特點， 本設計采用了PL2303 芯片實現了RS232 與USB 接口的轉換， 省去了RS232 電平以TTL 電平的裝換。用PL2303 實現的USB 轉串口的電路如圖6 所示。


3 軟件系統

3.1 單片機系統軟件

單片機采用TI 的低功耗MSP430F149 為控制核心，其主要功能是解碼紅外遙控器發(fā)送來的信號和驅動液晶顯示。其中解碼紅外遙控信號是實現本設計的關鍵，紅外接收電路的信號輸出接到單片機的外部中斷0 上，當單片機接收到信號后進入中斷函數， 首先判斷是否為引導碼， 如果是則進入解碼程序， 否則丟棄。解碼程序通過精確的延時函數， 判斷每個發(fā)送過來的每一位為0 還是1， 并把數據保存到date 數組中， 其中date ［0］ 保存地址碼，date ［1］ 中保存地址反碼，date ［2］ 中保存數據碼，date［3］ 保存數據反碼。解碼的流程圖如圖7 所示。

圖7 系統軟件流程圖

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用C# 編寫， 使用Microsoft Studio 2005自帶的SerialPort 組件。SerialPort 對象接收到數據時， 將在輔助線程上引發(fā)DataReceived 事件。處理此事件， 得到從串口發(fā)送來的數據， 并給計算機發(fā)送相應的命令。

本軟件界面人性化， 用戶在設置過程中有簡單的操作提示， 使得人機對話更為簡單， 當設置完成后可以讓程序隱藏到后臺運行。小軟件還有漂亮的皮膚界面， 上位機軟件截圖和軟件的工作流程如圖8 所示。

本設計以MSP430F149 單片機為控制核心， 所設計的遙控教鞭功耗低， 僅須兩節(jié)電池供電； 命令接收采用USB 接口， 其供電可直接通過計算機取電。工作時， 只要打開控制軟件和PPT 演示軟件， 其操作就可通過手執(zhí)部分隨意控制， 可方便地應用于教學、會議室等需演示的場合。