基于DSP的數字多媒體網絡教學終端研究

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，整個社會發生了翻天覆地的變化，信息技術已經深深地滲透到生產生活中的每個領域。數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展，尤其是在教育系統中更是得到了相當廣泛的應用[1]。同在信息化的發展中，嵌入式系統也迎來了發展的新時代，并逐漸被應用到數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一的多媒體平臺中，滿足多元化的教學需求[2]。

1 系統需求分析

1.1 功能需求

從實際教學場景出發，數字多媒體網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，特殊情況下對網絡資源也有嚴格的要求[3]。因此，本系統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）信號傳輸質量需求。網絡教學平臺依靠網絡進行信號傳輸，因此網絡傳輸速度是保證系統實用性的重要因素。基于DSP的數字多媒體網絡教學終端必須滿足語音和視頻畫面的高質量實時傳輸，并且可以同時雙向傳輸多路信號，延時控制在1/4 s以內。信號質量需要通過誤碼率進行控制，要求盡可能實現原聲和原圖傳輸，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，多媒體技術更新換代的速度較快，但考慮到成本因素，多媒體系統不可能反復更換，因此要求原系統具有良好的可擴展性。數字多媒體終端中包含了大量的硬件模塊，模塊間需要相互協調完成教學功能，不同的模塊之間應具備良好的兼容性，為后續系統升級和維護提供條件。

2 硬件系統設計

2.1 總體方案設計

本系統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。系統以數字信號處理器DSP芯片為核心，結合CPLD網絡適配器和功能接口進行電路開發。整個系統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、存儲單元及網絡適配單元。語音信號的處理采用了模/數和數/模轉換模塊，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。網絡架構以XC95288XL網絡適配芯片為中心，用戶通過特定的網絡協議連接至遠程網絡多媒體教學平臺。根據系統功能需求，接口電路包括網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的實時性，充分發揮DSP多通道緩沖串口的作用。

2.2 微處理器選擇

微處理器是數字多媒體網絡教學終端的心臟，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。教學用數字多媒體網絡教學終端對性能并不需要使用最高級別的芯片，因此本系統采用了TMS32OVC5402。該芯片在市場上已經有多年，經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，在數據處理速度和指令執行速度上均有很大的優勢，芯片內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，芯片內部采用數字信號模式，搞干擾能力強，可集成性能好。

數字多媒體網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，實現多任務操作，同時可以通過網絡適配單元接入外部局域網。因此，TMS32OVC5402芯片具有較高的性價比，在功能上完全滿足數字多媒體網絡教學終端的功能和性能需求。

2.3 網絡結構設計

本系統的網絡采用了雙令牌鏈總線型結構，即網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，分別作為網絡中的工作鏈和查詢鏈。這種設計的優勢是使學生終端和教師終端之間更方便地進行狀態識別和信息傳遞。無論學生終端是否處于開機狀態，也無論其是否進入虛擬教室，查詢鏈令牌都會發給每一臺學生終端。如果該學生終端已經在虛擬教室中，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絡結構，其可靠程度可以與傳統的以太網進行媲美，即使網絡中的某個節點出現故障，也不會影響到其他節點的正常運行。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據，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，因而無需以太網結構中的網絡層。除了取消網絡層外，本系統的網絡結構符合ISO提出的開放系統互聯參考模型。

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，因此必須將其轉化為數字信號。本文采用模/數轉換的方法得到數據信號，但不直接引入專用A/D芯片，而是與后續的編碼解碼單元一同實現。系統中的編碼解碼芯片采用了M1C45480，其內部集成了A/D和D/A轉換功能，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。模擬信號統一采用MCLK引腳輸出的脈沖時鐘，收發雙方頻率均為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的發送時間和DSP的接收時鐘處于同步狀態。

3 實時多任務操作系統

DSP作為系統的核心，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的指令控制等任務，但DSP的優勢主要體現在數字信號處理上，在控制性能上還遠比不上傳統的單片機或CPU，因此要讓DSP芯片完成所有任務不太現實，也不太合理。然而，實時多任務操作是數字多媒體網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通過軟件來實現，避免給硬件資源帶來巨大的消耗。

DSP/BIOS實時操作系統正是為解決這類問題出現的，盡管該操作系統不是DSP芯片的內部組成部分，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從復雜的系統控制和通信任務中解放出來，更好地完成數據信號處理任務，實現高質量語音信號傳輸。在多任務操作過程中，根據任務的重要程度，可以對每個任務設置一個優先級，DSP/BIOS會優先響應優先級高的任務，然后再依次響應優先級較低的任務，這種設計給系統的應用帶來了很大的靈活性。

4 系統的應用

本文設計并實現的基于DSP的數字多媒體網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，系統運行穩定可靠，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，隨著網絡教學的的發展，一些師生提出了視頻傳輸需求。盡管本系統具備視頻傳輸功能，但由于DSP性能和學校網絡帶寬不足等因素造成傳輸效果不佳，這需要對系統進行深入的優化，不斷滿足師生的需求。實際上，隨著DSP技術的發展，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面授的效果。

5 結 論

教育信息化的發展趨勢使數字多媒體網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，成為數字多媒體網絡教學終端的強大技術保障。本文研究的終端系統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驗。