基于图形处理芯片的人-机交互系统设计

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摘要: 随着我国经济社会的迅猛发展,人们的精神压力越来越大,为了有效地缓解人们的压力,现代以休闲娱乐为主要目的的人-机交互式系统层出不穷,但大多都以计算机系统为支撑,用软件模拟硬件功能,以牺牲计算机性能为代价的软件系统仍然无法满足人们对混合立体声和高品质视频图像输出的追求。本系统采用多媒体处理芯片PKM32AG-Q,扩展512M显卡内存,可以有效地弥补上述缺点,本文主要介绍人-机交互系统的硬件选择和电路设计,具有一定的应用基础。

Abstract: With the rapid development of our society economy, people’s psychological pressure became bigger and bigger, in order to eliminate their mental distress, there have lots of entertainment system, but most of them are based on computer system instead of hardware architect, although with the value of sacrificed computer performance cannot satisfy the desire of high performance of mixer-sound and high quality video output. This system applied multi-medium processor unit PKM32AG-Q and extension of 512M texture memory, so it could compensate the former default. This paper mainly discussed the selection and circuit design of the system, so it has certain application value.

关键词: 多媒体处理芯片;人-机交互系统硬件设计;系统流程

Key words: Multi-Medium Processor Unit;the design of hardware in Human-computer interaction system;system flow diagram

中图分类号:TP39 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0146-03

0前言

自上世纪80年代计算机软、硬件技术的发展并迅速普及,提高了用户界面在系统设计和软件开发方面的重要性,极大地推动了人-机交互界面的发展,和现代产品中人性化设计理念的深入,要求为用户设计能够提供全方位视觉、听觉享受的产品已成为时展的潮流[1]。且本系统具有独立的图像处理芯片及存储空间,因此相对于电脑模拟软件而言,在视频、音效输出方面具有无法比拟的优点,而且随着人们爱好的变化,本机可以装载其它休闲娱乐等新兴项目以及益智类游戏,可以实现在娱乐中学习,达到寓教于乐的目的[2]。

1系统总体功能分析

本系统的设计是在人-机交互的基础上,用户不仅对显示画面、声音质量及控制按键的响应速度等模块有较高要求,另外本系统要求对环境具有较好的适应性,要求具有较高的稳定性及简便的维护性。人-机输入模块上的相关按键控制代表用户的人物在上、下、左、右四个方向上的运动,根据人物在当前时刻的位置、形态,通过相关算法,确定人物在下一时刻的运动轨迹及位置,而辅助按键控制人物在运动时的动作,由于视频的实质为一系列图像帧的相互转换,因此需要精确地定位每一帧时人物的位置、动作及背景。用户进入系统,初始化以后首先判定当前操作,并输出响应,同时自动记录当前人物状态,并且按照一些规则进行评判,如果判定值为0,则用户需要重新载入程序;若用户在使用过程中,每个单元耗时超过系统规定的最大值,则系统将该单元关闭。

由于现代相关技术的发展,对本系统性能的要求,也有了更进一步的提高,主要表现在:a)本系统的性质决定其必须具备好的稳定性;b)由于现代芯片制造工艺的提高,对系统的功耗提出了更严格的要求;c)要求本机具有更多的扩展功能,必须能够与其它单机实现实时通信,为用户创建一个局域网对战平台的可能性变为现实;d)具有高保真的视频、音频输出;e)有良好的控制精度与实时操作;f)具有大的存储空间,以便于实现不同的存储功能;g)主控芯片的响应速度尽可能地高;h.具有掉电保护作用,可以随时恢复断点的用户进度;j)具有良好的通用性,即改变flash中的固件就可以改变休闲模式;其系统硬件总体框图如图1所示:

2硬件系统设计

本系统的功能较多,为了便于硬件和软件系统的设计,采用模块化设计,即各模块分别实现不同的功能。

2.1 主控模块该模块要求控制芯片功能较强,芯片处理速度较快,具有低功耗及稳定性,因此选用SAMSUNG公司出产的PKM32AG-Q多媒体处理器,它集成了32位的高性能处理器,并带有DSP的一些特性,集成JPEG解码器、H264解码器、2维图像加速器、8通道混合音、具有OSD功能的CRT控制器、视频解码等接口,以及USB和I/O输出等外部接口。由于控制算法是软件代码,所以可以不断对产品功能进行升级,重复开发成本较低。并能够显著地降低系统功耗,减少系统开发周期,能够满足设计本硬件系统的需要。

2.2视频输出模块在本系统的硬件设计中,视频输出是由一系列重合度较高的图像祯连续播放[3-5],多媒体处理芯片集成了视频处理的功能和CRT控制器,支持RGB565模式、CVBS模拟信号输出,和最大分辨率为1024 x 768的VGA和TFT LCD等接口,因此,需要在其主控芯片输出端加入低电压四-2输入与门输入与5V容限集成元件74LCX08,保证输出视频信号的连续、稳定。

2.3 音频输出模块主控制芯片集成音频输出模块的最大通道为8通道,取样频率为0.172KHz-44.1KHz,支持4bit-ADPCM,8/16bit PCM,和音量、左右声道平衡控制,输出为16bit MSB(Left)-justified格式立体声和I2S音频解码接口,因此要加入具有DAC立体声连续校准功能的立体声持续校准数模转换器TDA1311和具有2x11W立体声功率放大器功能的集成元件TDA1519C,以此来保证高保真的音响效果[6],其硬件电路原理图如图2所示:

2.4 存储模块该存储模块主要为了存储程序、游戏数据及保存断点数据等,SDRAM将内存扩展64M、64M的Texture SDRAM将用于扩展显存,可以提高视频图像处理的响应速度、NAND flash用于程序、多媒体或启动程序、FRAM用于实时保存游戏数据、EEPROM存储游戏设置参数等加密信息。

2.5 通讯模块通讯模块为了实现主机及其它从机之间的通讯,可以分为USB、10M自适应以太网、以及UART等方式通讯。USB通信模块需要将CPU的相关引脚与USB连接器相联,直接提供USB接口;网络模块采用水晶蓝的ISA以太网控制器CS8900A-CQ3Z;UART模块采用串口芯片SP3232EC,通讯模块相关电路原理图如图3、图4所示:

2.6 电源模块在本系统的硬件电路中,系统输入5V电压,但主控芯片及其它芯片要求在低功耗模式下为其提供+3.3V和+1.8V电压,因此要设计稳定的直流电流模块。如图5、图6所示。集成电源芯片LM0805有较宽的输出电压范围,且有限流保护和热过载保护功能,所以适合作为本系统的硬件电源转换芯片。

2.7 键盘输入模块键盘模块是重要的人-机输入模块,由用户直接控制模拟人物,因此需要快速响应的特性,另外由于本系统的性质,要求键盘输入能够具有较长的使用寿命和简便的安装性能,因此选用微动开关。

2.8 电路板的抗干扰设计在电路原理图设计中,为了提高系统的稳定性,通常使用电容和磁珠元件,利用各自对直流、交流信号的不同的响应特性,滤除不必要的交流和干扰信号,提高系统的抗干扰能力,另外将数、模信号的输入隔离也可以有良好的抗干扰作用。

3软件系统设计

根据系统功能需要,为系统编制软件程序,其流程图如图7所示:

4结束语

本文设计并实现了一种包含视频、音频信号与扩展存储器和相关通讯模块的人-机交互系统的硬件结构。经过运行,输出的视频信号流畅、音频信号没有失真现象,并且相应的通讯模块也能按预定功能工作,存储模块也正常,并且具有简单的操作性能,验证了该系统设计的可行性和实时性,达到设计的目的。

参考文献:

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[2]游佳丹,黄金发.产品设计中的人机交互问题探讨[J].科技创业,2009,(11):54-55.

[3]吴鹏,刘清.多媒体处理器DM642及其在视频监控中的应用[J].山西电子技术,2006,(2):55-56.

[4]飞,,张蕾,王磊.基于DM642图像处理芯片的平网印花机系统[J].印染,2006,(18):34-36.

[5]王建平,马宾.基于多媒体处理器VG2的智能家居控制器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2007,(10):38-41.

[6]汪春梅,张崇明,李蕊,朱品昌.TMS320DM642多媒体处理系统中高性能音频功能的实现[J].电声技术,2006,(6):53-55.