基于DSP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端研究

何志鵬

（浙江越秀外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

進(jìn)入信息時(shí)代以來(lái)，整個(gè)社會(huì)發(fā)生了翻天覆地的變化，信息技術(shù)已經(jīng)深深地滲透到生產(chǎn)生活中的每個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字多媒體技術(shù)是信息技術(shù)的重要分支之一，近年來(lái)也得到了快速的發(fā)展，尤其是在教育系統(tǒng)中更是得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[1]。同在信息化的發(fā)展中，嵌入式系統(tǒng)也迎來(lái)了發(fā)展的新時(shí)代，并逐漸被應(yīng)用到數(shù)字多媒體終端的設(shè)計(jì)中，通過(guò)其控制、計(jì)算和通信功能，將大量的教學(xué)資源集中在一個(gè)統(tǒng)一的多媒體平臺(tái)中，滿足多元化的教學(xué)需求[2]。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 功能需求

從實(shí)際教學(xué)場(chǎng)景出發(fā)，數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端主要服務(wù)于教師的教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，并且需要適應(yīng)不同學(xué)科的教學(xué)和不同教學(xué)風(fēng)格的教學(xué)過(guò)程，特殊情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源也有嚴(yán)格的要求[3]。因此，本系統(tǒng)的功能需求可以分別從教師和學(xué)生兩個(gè)角度進(jìn)行分析。學(xué)生功能的需求包括：學(xué)生隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入學(xué)習(xí)平臺(tái)、在學(xué)習(xí)平臺(tái)中可以選擇虛擬教室，在課堂中可以進(jìn)行提問(wèn)和在線練習(xí)，對(duì)講課過(guò)程可以復(fù)聽(tīng)或錄音下載，學(xué)生可以與教師建立通信進(jìn)行對(duì)講，網(wǎng)絡(luò)條件差的情況下還需要進(jìn)行信道切換。教師方面的功能需求包括：對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組、提問(wèn)、在線發(fā)布習(xí)題、展示各類教學(xué)資源，教師還可以選擇任意一位或多位學(xué)生進(jìn)行對(duì)講，提供課后回放功能。

1.2 性能需求

（1）信號(hào)傳輸質(zhì)量需求。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)依靠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)傳輸速度是保證系統(tǒng)實(shí)用性的重要因素?；贒SP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端必須滿足語(yǔ)音和視頻畫(huà)面的高質(zhì)量實(shí)時(shí)傳輸，并且可以同時(shí)雙向傳輸多路信號(hào)，延時(shí)控制在1/4 s以內(nèi)。信號(hào)質(zhì)量需要通過(guò)誤碼率進(jìn)行控制，要求盡可能實(shí)現(xiàn)原聲和原圖傳輸，縮小與實(shí)體教室授課的心理差距，保證教學(xué)活動(dòng)的順暢。

（1）擴(kuò)展性和兼容性需求。前已述及，多媒體技術(shù)更新?lián)Q代的速度較快，但考慮到成本因素，多媒體系統(tǒng)不可能反復(fù)更換，因此要求原系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。數(shù)字多媒體終端中包含了大量的硬件模塊，模塊間需要相互協(xié)調(diào)完成教學(xué)功能，不同的模塊之間應(yīng)具備良好的兼容性，為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù)提供條件。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一種低成本的獨(dú)立終端設(shè)備，因此采用嵌入式設(shè)計(jì)是最佳選擇。系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片為核心，結(jié)合CPLD網(wǎng)絡(luò)適配器和功能接口進(jìn)行電路開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)可以分為時(shí)鐘電源單元、語(yǔ)音處理單元、編碼解碼單元、信號(hào)接口單元、存儲(chǔ)單元及網(wǎng)絡(luò)適配單元。語(yǔ)音信號(hào)的處理采用了模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，采用MCI45480芯片進(jìn)行編碼和解碼，同時(shí)完成多路信號(hào)的傳輸控制，滿足多任務(wù)教學(xué)需求。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以XC95288XL網(wǎng)絡(luò)適配芯片為中心，用戶通過(guò)特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接至遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)平臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，接口電路包括網(wǎng)絡(luò)接口和模擬信號(hào)接口，其中模擬信號(hào)接口用于接收外部輸入的語(yǔ)音信號(hào)，也可以將語(yǔ)音信號(hào)廣播至所有用戶終端。為保證語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，充分發(fā)揮DSP多通道緩沖串口的作用。

2.2 微處理器選擇

微處理器是數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端的心臟，理論上講，微處理器的性能越高越好，但實(shí)際應(yīng)用必須綜合考慮性價(jià)比。教學(xué)用數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端對(duì)性能并不需要使用最高級(jí)別的芯片，因此本系統(tǒng)采用了TMS32OVC5402。該芯片在市場(chǎng)上已經(jīng)有多年，經(jīng)受了眾多應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)踐考驗(yàn)，是一款綜合性能不錯(cuò)的相對(duì)廉價(jià)的DSP芯片。TMS32OVC5402采用多總線哈佛架構(gòu)，在數(shù)據(jù)處理速度和指令執(zhí)行速度上均有很大的優(yōu)勢(shì)，芯片內(nèi)部集成了獨(dú)立的硬件乘法/加法器和DMA總線控制器，成為提高處理速度的硬件保證，DMA還允許用戶通過(guò)程度實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。TMS32OVC5402具有多處理器接口、JTAG標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試接口和外設(shè)多通道緩沖串行口，擴(kuò)展性和兼容性俱佳，芯片內(nèi)部采用數(shù)字信號(hào)模式，搞干擾能力強(qiáng)，可集成性能好。

數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端中的主要功能需求是進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，TMS32OVC5402芯片內(nèi)部自帶的多通道緩沖串行口MCBSP，可以與語(yǔ)音信號(hào)處理芯片進(jìn)行方便地連接，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)操作，同時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)適配單元接入外部局域網(wǎng)。因此，TMS32OVC5402芯片具有較高的性價(jià)比，在功能上完全滿足數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端的功能和性能需求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用了雙令牌鏈總線型結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)中提供一條總線和兩個(gè)令牌，這兩個(gè)令牌均由教師終端生成，分別作為網(wǎng)絡(luò)中的工作鏈和查詢鏈。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是使學(xué)生終端和教師終端之間更方便地進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別和信息傳遞。無(wú)論學(xué)生終端是否處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，也無(wú)論其是否進(jìn)入虛擬教室，查詢鏈令牌都會(huì)發(fā)給每一臺(tái)學(xué)生終端。如果該學(xué)生終端已經(jīng)在虛擬教室中，則會(huì)通過(guò)收到的查詢令牌將自身的令牌上傳至教師終端。

雙令牌鏈總線型結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其可靠程度可以與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)進(jìn)行媲美，即使網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響到其他節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)對(duì)電纜的需求量大大減少，布線實(shí)施過(guò)程也較方便，掛在同一總線上的終端可直接共享數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，對(duì)所有終端進(jìn)行廣播也變得極為簡(jiǎn)單。鏈?zhǔn)娇偩€會(huì)為對(duì)每個(gè)信道的資源進(jìn)行限制，不會(huì)出現(xiàn)某終端獨(dú)占信道資源的極端情況。鏈?zhǔn)娇偩€結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將任意兩個(gè)終端進(jìn)行直接相連，因而無(wú)需以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層。除了取消網(wǎng)絡(luò)層外，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合ISO提出的開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型。

2.4 PCM編碼解碼單元設(shè)計(jì)

話筒中的振動(dòng)傳感器接收到的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)際上是一種連續(xù)型的模擬信號(hào)，這種信號(hào)是無(wú)法在DSP芯片中進(jìn)行處理的，因此必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。本文采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法得到數(shù)據(jù)信號(hào)，但不直接引入專用A/D芯片，而是與后續(xù)的編碼解碼單元一同實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中的編碼解碼芯片采用了M1C45480，其內(nèi)部集成了A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，解決了語(yǔ)音信號(hào)的輸入問(wèn)題。PCM芯片作為外圍設(shè)備與DSP通過(guò)MCBSPR接口相連，可以完成雙緩存、全雙工的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。根據(jù)人類語(yǔ)音的特征，語(yǔ)音信號(hào)采樣的頻率采用8 kHz即可保證不失真，信號(hào)格式為脈沖編碼A律格式。模擬信號(hào)統(tǒng)一采用MCLK引腳輸出的脈沖時(shí)鐘，收發(fā)雙方頻率均為2.048 MHz?？紤]到DSP芯片的時(shí)鐘頻率為40 MHz，因而必須單獨(dú)提供，不能與PCM共用。在語(yǔ)音信號(hào)的傳輸過(guò)程中，必須保持McBSP的發(fā)送時(shí)間和DSP的接收時(shí)鐘處于同步狀態(tài)。

3 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)

DSP作為系統(tǒng)的核心，原則上它必須同時(shí)完成語(yǔ)音信號(hào)處理、終端間的通信以及全系統(tǒng)的指令控制等任務(wù)，但DSP的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理上，在控制性能上還遠(yuǎn)比不上傳統(tǒng)的單片機(jī)或CPU，因此要讓DSP芯片完成所有任務(wù)不太現(xiàn)實(shí)，也不太合理。然而，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作是數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端所要求的一般功能。本文的解決方案是將實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免給硬件資源帶來(lái)巨大的消耗。

DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)正是為解決這類問(wèn)題出現(xiàn)的，盡管該操作系統(tǒng)不是DSP芯片的內(nèi)部組成部分，但DSP芯片提供了專用接口可以與其進(jìn)行對(duì)接，將DSP/BIOS作為主系統(tǒng)的外設(shè)來(lái)處理，在邏輯設(shè)計(jì)上變得比較簡(jiǎn)單。DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用不僅解決了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作的難題，而且還將DSP從復(fù)雜的系統(tǒng)控制和通信任務(wù)中解放出來(lái)，更好地完成數(shù)據(jù)信號(hào)處理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語(yǔ)音信號(hào)傳輸。在多任務(wù)操作過(guò)程中，根據(jù)任務(wù)的重要程度，可以對(duì)每個(gè)任務(wù)設(shè)置一個(gè)優(yōu)先級(jí)，DSP/BIOS會(huì)優(yōu)先響應(yīng)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，然后再依次響應(yīng)優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)，這種設(shè)計(jì)給系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)了很大的靈活性。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的基于DSP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端在某中學(xué)進(jìn)行了為期一學(xué)年的試運(yùn)行，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，師生之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線溝通，語(yǔ)音傳輸及時(shí)，聲音清晰可辨，完全滿足日常教學(xué)要求。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的的發(fā)展，一些師生提出了視頻傳輸需求。盡管本系統(tǒng)具備視頻傳輸功能，但由于DSP性能和學(xué)校網(wǎng)絡(luò)帶寬不足等因素造成傳輸效果不佳，這需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入的優(yōu)化，不斷滿足師生的需求。實(shí)際上，隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，視頻傳輸也日益成為普遍應(yīng)用的多媒體技術(shù)，使師生之間的在線教學(xué)與學(xué)習(xí)更加接近于傳統(tǒng)面授的效果。

5 結(jié) 論

教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)使數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端的應(yīng)用具有更加廣闊的市場(chǎng)空間。同時(shí)，以DSP為代表的微處理器技術(shù)的性能和功能也日益完善，成為數(shù)字多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)終端的強(qiáng)大技術(shù)保障。本文研究的終端系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值，可以為相關(guān)的研究提供理論參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。