基于ATMEGA328P的无线TALLY系统

王松鹏

摘要：本文介绍了一种基于ATMEGA328P和汇承HC-12传输模块的无线TALLY系统，该系统具响应快速，显示准确，传输稳定，性价比高等特点。文章从工作原理、电路设计、元器件选型、程序开放等方面对该系统进行了简要阐述。

关键字：无线TAllY系统 ATMEGA328P

一、研发背景

近年来，EFP电子现场制作（Electronic Field Production）系统凭借其灵活、机动、便携等特点，在突发事件的新闻报道工作中使用频率逐渐提高，索尼AWS-750便携切换台在EFP系统中得到广泛的应用。根据平日转播工作的实际情况，急需一种灵活、可靠的摄像机切灯提示系统，来提示摄像师，导播正在使用此台摄像机的拍摄画面，不要对此台摄像机进行不必要的调整。切灯提示系统保证了摄像师构图的稳定性，提升了节目播出的安全性。基于ATMEGA328P微控制器，配合汇承HC-12无线串口通讯模块的无线切灯提示系统，可满足在日常转播工作中，编辑部门对切灯提示的需求，此系统在满足EFP 系统节目制作的同时，也能够在转播车系统中使用。项目拥有良好的可扩展性和高可用性，运维成本低廉，符合立项的需求。

二、项目概况

为了延续EFP系统灵活机动的特性，计划设计一套无线切灯提示系统，采取一发多收的模式。接收端可放置于摄像机的机头灯安装位上如图1所示，这样可以不用考虑摄像机的品牌和型号，适配程度显著提升。设计使用OLED显示屏显示，通讯状态、本机讯道号和主切讯道号如图2所示。设计使用内外切灯对摄像师和主持人进行分别的提示，可显示红、绿、黄三色，主切、预切、主预同切三种切灯如图3所示。系统设置开机自检程序，设计电源提示灯，方便判断各元器件的工作状况。断电后本机讯道号不丢失。使用三档拨轮开关分别调整本机讯道号，和LED灯珠亮度，以适应各种场景。本系统，还应兼容日常工作中的转播车系统所使用的其他型号切换台，可对斯坦尼康、无线讯道、轨道摄像机等特种设备，进行切灯提示。

 图1无线TALLY系统安装在不同类型的摄像机上

图2接收端功能展示

图3三种类型切灯展示

三、无线切灯提示系统工作原理

发射端与切换台的GPI端口相连如图4所示，采用集电极开路，低电压导通原理，触发ATMEGA328P微控制器，输出双位校验码，第一位表示讯道号，第二位表示主切还是预切。双位校验码通过串口通讯模块进行无线透传。接收端收到双位校验码后，MCU进行判断，并触发相应的提示，工作原理如图5所示。通过对索尼AWS-750切换台GPI端口的设置，可以将该系统调整为四路主切TALLY信号输出，和主切、预期各两路TALLY信号输出，以应对不同节目制作时，对切灯提示的需求。

图4发射端与索尼AWS-750切换台GPI端口相连

图5无线切灯系统工作原理图

四、电路设计与元器件选型

1.主芯片

我们采用MICROCHIP公司生产的ATMEGA328P微处理器作为整个系统的核心控制器，该芯片具有高性能、低功耗等特点，采用AVR® 8位微控制器先进的RISC架构，拥有32K字节的系统内自编程Flash程序存储器，该芯片广泛使用在Arduino Uno开发板中，为了提高系统运行的稳定性，我们放置了一个上拉电阻和一个reset的按钮，用来复位单片机。为了提高运算速率，我们外接了一个晶振和两个电容，组成外部振荡电路，使晶振的频率提高到16MHz。另外我们设计一个6针的接口，方便AVR系列单片机进行程序烧写。在VCC和GND之间增加一个去耦电容，去除电源噪声对系统的影响。

2.LED灯珠

使用WS2812灯珠做为切灯提示系统的光源，此灯珠为控制电路与发光电路集成于一体的智能外控LED光源，其外型与5050封装的灯珠相同，内部包含了智能数字接口数据锁存信号整形放大驱动电路，还包含有高精度的内部震荡器和可编程定电流控制部分，有效保证了像素点光的颜色高度一致。采用串行的连接方式，将每个灯珠的DIN和DOUT首尾相连。

3.无线透传模块

选用汇承HC-12无线串口通信模块，该模块是新一代的多通道嵌入式无线透传模块。无线工作频段为 433.4—473.0MHz，可设置多个频道，模块最大发射功率为 100mW（20dBm），开阔地通信距离可达1000米。模块采用邮票孔封装方式，可贴片焊接，模块小巧，集成度高，方便嵌入系统之内。我们在发射端使用了模块上的 PCB 天线座 ANT1，通过同轴线，外接433M频段高增益天线，增加传输距离，提高传输的稳定性。在接收端我们使用模块内的天线焊接孔 ANT2，焊接弹簧天线，隐蔽性好，一体成型，不影响日常使用。透传模块的RXD与主芯片的TXD相连，透传模块的TXD与主芯片的RXD相连。

4.OLED显示模块

系统采用0.96英寸，像素为128*64点阵OLED显示模块，自发光，显示效果好。内部驱动IC为SSD1306，可显示各种符号、文字、图片等信息。该系统采用最新的库函数，节省内存的同时，提高刷新响应速度。采用IIC通讯协议，通过SCL时钟管脚和SDA数据管脚与主芯片通讯。

5.三档拨轮开关

使用三档拨轮开关完成上中下三档选择。向上拨动开关为LED灯珠亮度提高；中间按下开关为接收端本机讯道号调整；向下拨动开关为LED灯珠亮度降低。

6.供电

发射端和接收端分别从切换台和摄像机USB接口取电，通过Type-C接口为系统提供5V直流电源。

图6接收端电路设计

图7发射端电路设计

五、PCB设计、制版、焊接

将所有元器件进行合理布局，人工布线提高系统的稳定性。大量采用0805封装的贴片元件，减小硬件体积，电路采用双面印制，走线清晰，双面大面积覆铜，增强屏蔽，能更好地适应不同的使用环境。使用焊台焊接，有效减少虚焊，漏焊等现象。发射端PCB原理图如图8所示，接收端PCB原理图如图9所示。

图8接收端PCB电路板

图9发射端PCB电路板

六、程序编写、USB-ISP串口烧录

使用Arduino IDE开发环境进行程序开发。为了提升OLED屏幕的显示效果，提高屏幕刷新的速率，我们在程序中采用最新的库文件，对显示屏进行驱动。程序结构清晰，注释详细。变量定义准确。大量采用FOR循环语句，IF分支判断，降低程序对内存的占用。双位检验码，首位数字代表讯道号（1-6），末位数字1代表主切，2代表预切。

ATMEGA328P微控制器拥有1024字节的EEPROM（带电可擦可编程只读存储器）。通过程序代码，可以实现将本机讯道号储存到EEPROM里。每次关机后，讯道号得以保存，不因断电而丢失。

电路中预留程序烧录接口，可方便下载程序。

七、测试与优化、3D打印设备外壳

在首个DEMO版测试成功后，我们优化了元器件的布局，使其更加紧凑合理，优化了电路板的供电走线。程序方面使用最新的U8g2库文件，提高OLED显示屏的刷新速率。发射端将原先的弹簧天线改为433Mhz高增益天线，增加传输距离，提高传输的稳定性。使用3D打印机制作设备外壳，我们使用了以PLA也就是生物降解塑料聚乳酸，为打印材料的3D打印机制作设备外壳，该材料有环保、韧性好、强度高等特点，符合本项目的使用需求。

八、结语

本项目设计制作的无线切灯提示系统，响应快速，显示准确，传输稳定，该项目满足编辑部门在节目制作中对切灯提示的使用需求。此系统从构思、设计到制作、调试都经历了反复的探讨与研究，在使用中各项功能都得到充分的验证。本项目所使用的微处理器、LED灯珠、传输模块、显示模块均为成熟产品，具有容易采购、价格低廉、稳定性高等特点，采用上述的模块可大大降低后期运维的费用。经过近一个月的使用，该项目在个性功能和使用体验上要优于市场上的其它通用产品，符合设计初期目的和要求。

参考文献：

【1】SONY Corporation;2013;<>,Software Version 2.11;日本: SONY Corporation。