基于微控制器的時間碼分配器的設計與實現

劉丹

摘 要： 在演出節目中，音頻、視頻、燈光之間的同步至關重要。本文介紹了基于微控制器的時間碼分配器的設計方案來解決同步問題，將單路時間碼發生器轉變為多路時間碼。該設計以微處理器PIC單片機作為核心，主要由單片機微處理器、時間碼接收發送模塊、數碼管驅動電路以及按鍵掃描電路組成。硬件電路設計簡單，軟件設計模塊化，降低成本，減小體積，目前該設備在調試階段運行穩定。

關鍵詞： PIC單片機；時間碼；多路分配器；演出同步

一、引言

在演出節目編排過程中，一個比較突出的問題是各個專業（指音頻、視頻、燈光等）之間的協調與同步很難控制。一個大型的演出，在每個專業相對獨立的情況下，需要一個比較龐大的隊伍才能保障演出的順利編排與演出。而在編排的過程中，大部分時間都花在了專業之間的協調上面，而且比起真正專注在節目的時間可能要多得多。

從技術的角度來說，這幾個單元的藕合性非常低，他們可以獨自工作而不相互影響，唯一比較突出的聯系是“時間”，即在什么時候播出什么東西。從用戶使用的角度來說，“時間”的關系卻是他們最關心的東西。如果能將這幾個單元的狀態集中在一起進行查看與管理，用戶將省去許多不必要的麻煩。如協調各個單元之間的同步問題，在節目編輯時各個專業的相互參考與對比修正等等。

采用時間碼分配設備，將解決各個專業（指音頻、視頻、燈光）之間的協調與同步很難控制的問題；減少在演出中編排與演出的人員及時間。

二、概述

2.1 PIC單片機

PIC單片機是CMOS單片機，精簡指令使其執行效率大為提高，具有獨特的RISC結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結構，運行速度快； PIC單片機的I/O口是雙向的，其輸出電路為CMOS互補推挽輸出電路，I/O口低電平吸入電流達25mA，高電平輸出電流可達20mA；具有在線調試及編程（ISP）功能；還具有低工作電壓、低功耗等特點。以PIC單片機為基礎生產出的產品功耗比較低，質量水平比較高，成本比較少，保密性好。同時其內部資源豐富，廣泛應用于工業控制領域。

2.2 時間碼

時間碼大致可分為三種：SMPTE/EBU時間碼、MIDI時間碼（MTC）和IEC時間碼。其中SMPTE碼是NTSC制中采用的時間碼，而EBU碼是PAL制中采用的時間碼。這兩種時間碼系統中，二者都應用在復雜的視頻制作過程中。在聲頻中SMPTE則更普遍些。MTC是廣泛運用在MIDI設備之間的時間碼。IEC時間碼則是用于R-DAT之中的，較少用到。而現在用的是設備間的時間碼，也就是MIDI時間碼；下面簡單介紹MIDI時間碼。MIDI時間碼有兩個特定的功能，其一就是將通用的SMPTE時間碼轉換成MIDI協議中規定的數據格式后分配給MIDI系統網絡中的MIDI設備；其二是提供傳送所謂“設定”信息的方法，使控制微機能夠在確定的時間發生時刻將各個接收設備同步起來。MTC作為一個實時參考標準而存在。它并不發送開始、結束等命令，并且不會改變樂曲的速度。它提供分、秒來計算的絕對時間參考，而不是小節、拍的參考。大量的多端口MIDI接口設備都具備SMPTE/EBU時間碼端口，它常用來進行讀寫LTC的工作，但它通常要轉變成MTC，以便被相應的計算機軟件所接受。音頻工作站軟件都是采用MTC作為同步基準，尤其是當工作站采取數字音頻與MIDI相結合的工作方式時更是如此。

2.3 多路分配器

多路分配器是將單路輸入的MIDI時間碼數據分配到8路輸出的電路。此處分配器與市面上分配器不同，市面上的分配器是指能夠將1個輸入數據，根據需要傳送到m個輸出端的任何一個輸出端的電路，而此處的分配器是指能夠將1個輸入數據，傳送到m個輸出端同時輸出數據的電路。本設備設置了8路輸出，可以同時連接8臺具有MIDI時間碼接口的設備，讓8臺設備同時接收MIDI時間碼數據，這樣8臺設備就可以進行同步工作了。

三、基于微處理器的設計

3.1 硬件電路設計

硬件設計需要以實際需求作為基本，對成本進行科學的控制，減少開發的難度；本次研究使用16位PIC單片機，自由靈活的定義功能可以適應不同的控制要求。而不必增加額外的IC芯片。這樣電路結構很簡單，開發周期將大為縮短。

時間碼分配器設備用外部電源提供穩定的直流5V電壓，以微處理器PIC單片機為核心，主要由主控制模塊、時間碼接收發送模塊、數碼管驅動電路以及按鍵掃描電路組成。

3.1.1 主控制模塊

主控制模塊主要是用PIC單片機作為本設備的處理器，對MIDI協議的編解碼以及其他功能模塊進行控制處理。對時間碼芯片進行通信、控制處理；數碼管的顯示控制；按鍵掃描的處理。

3.1.2 時間碼接收發送模塊

時間碼接收發送模塊由時間碼芯片、74HCT244及單片機組成。單片機實現對時間碼芯片的通信，通過配置接口對其內部寄存器實現控制，從而用來處理MIDI時間碼的輸入輸出信號，可以產生4種幀速率的時間碼：24，25，29.9，30；通過SN74HCT244DW將時間碼芯片的單路輸出信號轉換成8路輸出信號，從而達到8路同步輸出的目的。

3.1.3 數碼管驅動電路

數碼管驅動電路由74LS47、74HC595D及單片機的3個I/O口組成。74HC595D為移位寄存器，74LS47為數碼管驅動顯示芯片，單片機通過三個I/O口便可把要顯示的數據傳輸到74HC595D并輸出到QA—QH引腳，通過控制QA—QH引腳來控制74LS47的輸出，從而實現對數碼管的顯示控制。此處對六個74HC595D進行級聯應用來控制8個74LS47的輸出，從而實現8位數碼管的動態控制。

3.1.4 按鍵掃描電路

按鍵用于對時間碼分配器進行各種功能性設置，例如：源選擇、幀率選擇、時間設置、時間加、時間減、播放/暫停、停止的功能。按鍵掃描電路由三行三列組成，需要用到單片機的六個I/O口。對行列按鍵進行掃描來判斷哪個按鍵被操作，從而判斷用戶的設置。

四 結論

在采用PIC單片機進行設計過程中，注意到PIC單片機自身的特點，可盡量少走彎路，從而縮短開發周期。同樣在軟件設計上采用合適的方法，可以使整個程序運行穩定，而且程序空間的使用也將有所減少，避免了調試中的Bug。而本設備設計時采用了PIC單片機的自身的特點，使設計電路大大簡化，從而減低了成本，減小了體積，提高了運行的穩定性和可靠性。在使用中有效的解決了各設備間協調與同步難的問題；也減少了在演出中編排與演出的人員及時間。■

參考文獻

[1] 張明峰.PIC單片機入門與實踐[M].北京：北京航空航天出版社，2004.