基于DSP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端研究

何志鵬

（浙江越秀外國語學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

進入信息時代以來，整個社會發(fā)生了翻天覆地的變化，信息技術已經(jīng)深深地滲透到生產(chǎn)生活中的每個領域。數(shù)字多媒體技術是信息技術的重要分支之一，近年來也得到了快速的發(fā)展，尤其是在教育系統(tǒng)中更是得到了相當廣泛的應用[1]。同在信息化的發(fā)展中，嵌入式系統(tǒng)也迎來了發(fā)展的新時代，并逐漸被應用到數(shù)字多媒體終端的設計中，通過其控制、計算和通信功能，將大量的教學資源集中在一個統(tǒng)一的多媒體平臺中，滿足多元化的教學需求[2]。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 功能需求

從實際教學場景出發(fā)，數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端主要服務于教師的教學活動和學生的學習活動，并且需要適應不同學科的教學和不同教學風格的教學過程，特殊情況下對網(wǎng)絡資源也有嚴格的要求[3]。因此，本系統(tǒng)的功能需求可以分別從教師和學生兩個角度進行分析。學生功能的需求包括：學生隨時隨地通過網(wǎng)絡進入學習平臺、在學習平臺中可以選擇虛擬教室，在課堂中可以進行提問和在線練習，對講課過程可以復聽或錄音下載，學生可以與教師建立通信進行對講，網(wǎng)絡條件差的情況下還需要進行信道切換。教師方面的功能需求包括：對學生進行分組、提問、在線發(fā)布習題、展示各類教學資源，教師還可以選擇任意一位或多位學生進行對講，提供課后回放功能。

1.2 性能需求

（1）信號傳輸質(zhì)量需求。網(wǎng)絡教學平臺依靠網(wǎng)絡進行信號傳輸，因此網(wǎng)絡傳輸速度是保證系統(tǒng)實用性的重要因素。基于DSP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端必須滿足語音和視頻畫面的高質(zhì)量實時傳輸，并且可以同時雙向傳輸多路信號，延時控制在1/4 s以內(nèi)。信號質(zhì)量需要通過誤碼率進行控制，要求盡可能實現(xiàn)原聲和原圖傳輸，縮小與實體教室授課的心理差距，保證教學活動的順暢。

（1）擴展性和兼容性需求。前已述及，多媒體技術更新?lián)Q代的速度較快，但考慮到成本因素，多媒體系統(tǒng)不可能反復更換，因此要求原系統(tǒng)具有良好的可擴展性。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)完成教學功能，不同的模塊之間應具備良好的兼容性，為后續(xù)系統(tǒng)升級和維護提供條件。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 總體方案設計

本系統(tǒng)是一種低成本的獨立終端設備，因此采用嵌入式設計是最佳選擇。系統(tǒng)以數(shù)字信號處理器DSP芯片為核心，結合CPLD網(wǎng)絡適配器和功能接口進行電路開發(fā)。整個系統(tǒng)可以分為時鐘電源單元、語音處理單元、編碼解碼單元、信號接口單元、存儲單元及網(wǎng)絡適配單元。語音信號的處理采用了模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，采用MCI45480芯片進行編碼和解碼，同時完成多路信號的傳輸控制，滿足多任務教學需求。網(wǎng)絡架構以XC95288XL網(wǎng)絡適配芯片為中心，用戶通過特定的網(wǎng)絡協(xié)議連接至遠程網(wǎng)絡多媒體教學平臺。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，接口電路包括網(wǎng)絡接口和模擬信號接口，其中模擬信號接口用于接收外部輸入的語音信號，也可以將語音信號廣播至所有用戶終端。為保證語音信號傳輸?shù)膶崟r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)絡教學終端的心臟，理論上講，微處理器的性能越高越好，但實際應用必須綜合考慮性價比。教學用數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端對性能并不需要使用最高級別的芯片，因此本系統(tǒng)采用了TMS32OVC5402。該芯片在市場上已經(jīng)有多年，經(jīng)受了眾多應用領域的實踐考驗，是一款綜合性能不錯的相對廉價的DSP芯片。TMS32OVC5402采用多總線哈佛架構，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，芯片內(nèi)部集成了獨立的硬件乘法/加法器和DMA總線控制器，成為提高處理速度的硬件保證，DMA還允許用戶通過程度實現(xiàn)并行計算。TMS32OVC5402具有多處理器接口、JTAG標準測試接口和外設多通道緩沖串行口，擴展性和兼容性俱佳，芯片內(nèi)部采用數(shù)字信號模式，搞干擾能力強，可集成性能好。

數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端中的主要功能需求是進行語音信號的實時傳輸，TMS32OVC5402芯片內(nèi)部自帶的多通道緩沖串行口MCBSP，可以與語音信號處理芯片進行方便地連接，實現(xiàn)多任務操作，同時可以通過網(wǎng)絡適配單元接入外部局域網(wǎng)。因此，TMS32OVC5402芯片具有較高的性價比，在功能上完全滿足數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端的功能和性能需求。

2.3 網(wǎng)絡結構設計

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡采用了雙令牌鏈總線型結構，即網(wǎng)絡中提供一條總線和兩個令牌，這兩個令牌均由教師終端生成，分別作為網(wǎng)絡中的工作鏈和查詢鏈。這種設計的優(yōu)勢是使學生終端和教師終端之間更方便地進行狀態(tài)識別和信息傳遞。無論學生終端是否處于開機狀態(tài)，也無論其是否進入虛擬教室，查詢鏈令牌都會發(fā)給每一臺學生終端。如果該學生終端已經(jīng)在虛擬教室中，則會通過收到的查詢令牌將自身的令牌上傳至教師終端。

雙令牌鏈總線型結構是一種常見的網(wǎng)絡結構，其可靠程度可以與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)進行媲美，即使網(wǎng)絡中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障，也不會影響到其他節(jié)點的正常運行。鏈式結構對電纜的需求量大大減少，布線實施過程也較方便，掛在同一總線上的終端可直接共享數(shù)據(jù)，實時性很強，對所有終端進行廣播也變得極為簡單。鏈式總線會為對每個信道的資源進行限制，不會出現(xiàn)某終端獨占信道資源的極端情況。鏈式總線結構相當于將任意兩個終端進行直接相連，因而無需以太網(wǎng)結構中的網(wǎng)絡層。除了取消網(wǎng)絡層外，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構符合ISO提出的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型。

2.4 PCM編碼解碼單元設計

話筒中的振動傳感器接收到的語音信號實際上是一種連續(xù)型的模擬信號，這種信號是無法在DSP芯片中進行處理的，因此必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。本文采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換的方法得到數(shù)據(jù)信號，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，解決了語音信號的輸入問題。PCM芯片作為外圍設備與DSP通過MCBSPR接口相連，可以完成雙緩存、全雙工的實時通信任務。根據(jù)人類語音的特征，語音信號采樣的頻率采用8 kHz即可保證不失真，信號格式為脈沖編碼A律格式。模擬信號統(tǒng)一采用MCLK引腳輸出的脈沖時鐘，收發(fā)雙方頻率均為2.048 MHz。考慮到DSP芯片的時鐘頻率為40 MHz，因而必須單獨提供，不能與PCM共用。在語音信號的傳輸過程中，必須保持McBSP的發(fā)送時間和DSP的接收時鐘處于同步狀態(tài)。

3 實時多任務操作系統(tǒng)

DSP作為系統(tǒng)的核心，原則上它必須同時完成語音信號處理、終端間的通信以及全系統(tǒng)的指令控制等任務，但DSP的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在數(shù)字信號處理上，在控制性能上還遠比不上傳統(tǒng)的單片機或CPU，因此要讓DSP芯片完成所有任務不太現(xiàn)實，也不太合理。然而，實時多任務操作是數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端所要求的一般功能。本文的解決方案是將實時多任務操作系統(tǒng)通過軟件來實現(xiàn)，避免給硬件資源帶來巨大的消耗。

DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)正是為解決這類問題出現(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行對接，將DSP/BIOS作為主系統(tǒng)的外設來處理，在邏輯設計上變得比較簡單。DSP/BIOS實時操作系統(tǒng)的應用不僅解決了實時多任務操作的難題，而且還將DSP從復雜的系統(tǒng)控制和通信任務中解放出來，更好地完成數(shù)據(jù)信號處理任務，實現(xiàn)高質(zhì)量語音信號傳輸。在多任務操作過程中，根據(jù)任務的重要程度，可以對每個任務設置一個優(yōu)先級，DSP/BIOS會優(yōu)先響應優(yōu)先級高的任務，然后再依次響應優(yōu)先級較低的任務，這種設計給系統(tǒng)的應用帶來了很大的靈活性。

4 系統(tǒng)的應用

本文設計并實現(xiàn)的基于DSP的數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端在某中學進行了為期一學年的試運行，結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，師生之間可以進行實時的在線溝通，語音傳輸及時，聲音清晰可辨，完全滿足日常教學要求。但是，隨著網(wǎng)絡教學的的發(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性能和學校網(wǎng)絡帶寬不足等因素造成傳輸效果不佳，這需要對系統(tǒng)進行深入的優(yōu)化，不斷滿足師生的需求。實際上，隨著DSP技術的發(fā)展，視頻傳輸也日益成為普遍應用的多媒體技術，使師生之間的在線教學與學習更加接近于傳統(tǒng)面授的效果。

5 結 論

教育信息化的發(fā)展趨勢使數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端的應用具有更加廣闊的市場空間。同時，以DSP為代表的微處理器技術的性能和功能也日益完善，成為數(shù)字多媒體網(wǎng)絡教學終端的強大技術保障。本文研究的終端系統(tǒng)具有一定的實用價值，可以為相關的研究提供理論參考和實踐經(jīng)驗。