基于射頻傳輸?shù)亩嗝襟w教學(xué)輔助裝置研究設(shè)計(jì)*

鄭立安，龔杏雄，牛昱光

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原030024)

利用電腦多媒體技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)已是很普遍的做法。而在播放課件的同時(shí)，多數(shù)教師更愿意離開講臺(tái)進(jìn)行講解以方便與學(xué)生的交流和溝通。目前普遍使用的激光筆雖然可以讓教師離開講臺(tái)實(shí)現(xiàn)課件演示的翻頁操作，但不能操作除ppt課件之外的其他教學(xué)軟件，而且多數(shù)是紅外遙控，操作范圍受到限制。再有就是教師想離開講臺(tái)時(shí)還能使用多媒體系統(tǒng)的音響設(shè)備，就得另外配戴一套無線話筒或攜帶便攜式擴(kuò)音器。教師會(huì)感覺繁瑣累贅。

為了解決這個(gè)問題，本人設(shè)計(jì)了一種新型的教學(xué)輔助工具。教師只需攜帶銀行卡大小的手持端和U盤大小的接收端，就可離開多媒體講桌，通過手勢(shì)和搖桿控制光標(biāo)移動(dòng)，點(diǎn)擊左、右鍵操作課件或其他軟件，并能使用附帶的激光筆和話筒進(jìn)行授課活動(dòng)，從而不再為多媒體講桌所限制。

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由手持端和接收端兩部分組成，兩者之間是通過2.4 G無線模塊nRF24L01進(jìn)行無線［1］通訊的，此無線模塊的傳輸范圍能滿足多媒體教室的空間要求。

1.1 手持端結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

手持端的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控芯片采用ARM-CortexM3架構(gòu)的德州儀器公司的LM3S1P51［2］處理器。聲音采集采用硅麥克風(fēng)傳感器MSMAS42Z，采集到的模擬信號(hào)由音頻編解碼芯片TLV320AIC23B轉(zhuǎn)換成16 bit［3］雙聲道PCM音頻流，經(jīng)由專門用于音頻傳輸?shù)腎2S接口傳送至處理器，由處理器完成將PCM編碼壓縮成ADPCM編碼的運(yùn)算處理［4］。處理器通過I2C接口獲得加速度傳感器MXC6225XU的加速度數(shù)據(jù)，從而獲得手持端晃動(dòng)的趨勢(shì)，并結(jié)合處理器接收到的搖桿動(dòng)作，生成對(duì)應(yīng)的光標(biāo)移動(dòng)指令［5］。模擬鼠標(biāo)按鍵操作和激光筆控制按鍵操作也都由處理器識(shí)別并生成相應(yīng)的指令，其中激光筆的控制指令由處理器芯片的PWM調(diào)制輸出至激光筆驅(qū)動(dòng)電路。ADPCM音頻數(shù)據(jù)及光標(biāo)移動(dòng)指令和鼠標(biāo)按鍵指令會(huì)被處理器分別打包，并通過 SPI接口分別發(fā)送至無線模塊nRF24L01［6］，以無線傳輸方式發(fā)送給接收端。

圖1 手持端硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 接收端結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

接收端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控芯片采用ARM-Cortex M3架構(gòu)［7］的意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8［8］處理器。處理器通過SPI口接收來自無線模塊nRF24L01收到的包含ADPCM音頻數(shù)據(jù)和各種操作指令的數(shù)據(jù)包。在處理器中，要將ADPCM編碼解壓縮成PCM編碼，并與按鍵指令一起經(jīng)由USB接口上傳到PC機(jī)。音頻流會(huì)被送入PC機(jī)的聲音播放系統(tǒng)播放出來，相應(yīng)的操作指令會(huì)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的屏幕光標(biāo)控制和左、右鍵命令，從而實(shí)現(xiàn)課件演示操作和教學(xué)軟件運(yùn)行操作。

圖2 接收端硬件結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序分為手持端和接收端兩部分，手持端的程序流程如圖3所示，設(shè)備初始化之后，整個(gè)程序工作在無限循環(huán)中。當(dāng)檢測(cè)到音頻采集電路的DMA傳輸中斷信號(hào)，則優(yōu)先發(fā)送一幀音頻數(shù)據(jù)。在中斷結(jié)束或沒有中斷信號(hào)時(shí)，采集各種操作的開關(guān)量信號(hào)，將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)出。接收端的程序流程如圖4所示，設(shè)備初始化之后，整個(gè)程序工作在無限循環(huán)中。通過對(duì)收到數(shù)據(jù)的類型判斷，按照音頻數(shù)據(jù)或開關(guān)量指令數(shù)據(jù)分別進(jìn)行不同的處理。最終將數(shù)據(jù)通過USB接口上傳到PC中。

圖3 手持端軟件流程圖

圖4 接收端的軟件流程圖

3 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 音頻傳輸?shù)腄MA雙緩沖機(jī)制

通過話筒音頻信號(hào)采集，經(jīng)由Codec芯片轉(zhuǎn)換而成的PCM編碼的數(shù)據(jù)量很大，需要一種較為完善且高效的傳輸機(jī)制，來保證聲音信號(hào)能同步傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，以避免因傳輸延時(shí)或數(shù)據(jù)缺失造成的聲音失真。本設(shè)計(jì)在手持端采用了DMA雙緩沖機(jī)制，即乒乓模式［9］，它用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)流。要使用乒乓模式必須同時(shí)配置主數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和副數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，兩個(gè)結(jié)構(gòu)體均用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，這可由處理器建立。傳輸過程如圖5所示。傳輸從主控制結(jié)構(gòu)體開始，當(dāng)主控制結(jié)構(gòu)體所配置的傳輸過程結(jié)束后，DMA控制器自動(dòng)載入副控制結(jié)構(gòu)體并按其配置繼續(xù)傳輸。每當(dāng)這時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，處理器對(duì)剛剛結(jié)束傳輸過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行重新配置。于是，主/副控制結(jié)構(gòu)體交替在緩沖區(qū)與外設(shè)之間搬運(yùn)數(shù)據(jù)。

圖5 乒乓式DMA數(shù)據(jù)傳輸

3.2 PCM編碼的壓縮與解壓縮

ADPCM是將PCM的16 bit采樣數(shù)據(jù)壓縮成4 bit的。對(duì)于雙聲道的ADPCM來說，它是將PCM的左聲道的前8個(gè)采樣依次壓縮并寫入到一個(gè)DWORD中，然后寫入“data”chunk里。緊接著是右聲道的前8個(gè)采樣。如此循環(huán)，見圖6所示。當(dāng)采樣數(shù)不足8時(shí)(到數(shù)據(jù)尾端)，應(yīng)把多出來的采樣用0填充。解壓縮實(shí)為壓縮的一個(gè)逆過程。

圖6 PCM壓縮與解壓縮

3.3 無線模塊數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和傳輸速度

射頻信號(hào)收發(fā)采用的是NORDIC公司的2.4 G無線模塊nRF24L01。這款無線模塊的控制芯片自帶CRC校驗(yàn)，從而減小了軟件開發(fā)時(shí)間，同時(shí)也減輕了處理器的工作量。另外它的無線速率最高可達(dá)2 Mbit/s，完全能滿足音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

3.4 USB的免驅(qū)動(dòng)機(jī)制

為了使接收端具有PC機(jī)USB口熱插拔設(shè)備性能，依照USB2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)將接收端設(shè)計(jì)成一個(gè)HID 類［10］和音頻類［11］的復(fù)合型 USB 設(shè)備，使得接收端只占用一個(gè)PC機(jī)的USB端口即可實(shí)現(xiàn)二者鏈接。值得一提的是，任何操作系統(tǒng)自帶的USB驅(qū)動(dòng)都直接支持本設(shè)計(jì)的接收端。換句話說，在多媒體設(shè)備的PC機(jī)上無需安裝任何驅(qū)動(dòng)程序，直接利用系統(tǒng)自帶驅(qū)動(dòng)即可使用接收端的功能。

4 本設(shè)計(jì)解決的問題

4.1 使教師不再受限于講臺(tái)

本設(shè)計(jì)的結(jié)果可使教師離開講臺(tái)之后，依然可以利用多媒體的語音播放功能，再配合手勢(shì)移動(dòng)和相當(dāng)于鼠標(biāo)功能的按鍵操作，在教室的任何角落為學(xué)生授課和解惑，并且不用擔(dān)心距離較遠(yuǎn)的同學(xué)會(huì)聽不到，簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了互動(dòng)教學(xué)的目的。

4.2 降低實(shí)現(xiàn)同樣效果的設(shè)備成本

若要實(shí)現(xiàn)教師在課堂任意走動(dòng)，并且隨意操控演示課件和教學(xué)軟件，那么無線話筒、無線鼠標(biāo)和紅外激光筆等多種設(shè)備得一應(yīng)俱全，這些設(shè)備的價(jià)格合起來也得幾百元，更主要是教師要同時(shí)使用多個(gè)設(shè)備，使用很麻煩。而本設(shè)計(jì)批量生產(chǎn)的成本將會(huì)不足百元，教師手持一個(gè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)所有操作功能。

5 設(shè)計(jì)結(jié)果與總結(jié)

根據(jù)硬件和軟件設(shè)計(jì)思路完成的手持端和接收端試驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。圖8所示為PC機(jī)上采集到的聲音信號(hào)波形及分析說明。

圖7 手持端和接收端試驗(yàn)樣機(jī)

圖8 PC機(jī)上采集到的聲音波形分析

樣機(jī)試驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)方案、硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程都能滿足預(yù)期目標(biāo)。不足之處是聲音信號(hào)的傳輸功能雖然基本實(shí)現(xiàn)，但還有改進(jìn)空間，可以考慮在壓縮和解壓縮算法上作進(jìn)一步優(yōu)化。

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