大學(xué)英語自主學(xué)習(xí)監(jiān)控系統(tǒng)的電路設(shè)計與實現(xiàn)

　0 引言

　　教育部在大學(xué)英語教學(xué)改革總體思路中提出：改革現(xiàn)存教學(xué)模式，將教師、課本、粉筆、黑板與學(xué)生，老師講、學(xué)生聽的模式改為以計算機(網(wǎng)絡(luò))、教學(xué)軟件、課堂綜合運用的個性化、主動式學(xué)習(xí)模式。新的《大學(xué)英語課程教學(xué)要求(試行)》也規(guī)定：注重和強調(diào)以學(xué)生為主體，促進個性化學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)。為了適應(yīng)新的教學(xué)模式，很多高校專門設(shè)立了自主學(xué)習(xí)中心或多媒體教學(xué)中心。但是在所進行的自主學(xué)習(xí)教學(xué)實踐過程中卻發(fā)現(xiàn)了一些問題，如學(xué)生不能持之以恒，或由于各種原因，最終半途而廢；自主學(xué)習(xí)流于形式，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中玩游戲、上網(wǎng)或做其它事情；自主學(xué)習(xí)設(shè)備故障發(fā)生率高，包括學(xué)生主機、顯示器、耳機等電腦外設(shè)以及桌、椅。分析其原因，大多數(shù)高校只是在觀念改變和規(guī)章制度上進行監(jiān)控，而相應(yīng)的規(guī)章制度有不健全或落實不到位的情況，觀念也有不能完全轉(zhuǎn)變的情況，從而造成了自主學(xué)習(xí)過程和教師的教學(xué)過程缺乏有效監(jiān)控的現(xiàn)象。因此，研究具有監(jiān)控大學(xué)英語自主學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)過程的設(shè)備對促進大學(xué)英語教學(xué)改革的順利實施和有效監(jiān)控有著十分重要的意義。

　　1 自主學(xué)習(xí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　對英語自主學(xué)習(xí)過程的監(jiān)控主要是實現(xiàn)對各個自主學(xué)習(xí)教室的音、視頻監(jiān)控。本課題研究的監(jiān)控系統(tǒng)最大可實現(xiàn)32個自主學(xué)習(xí)教室的監(jiān)控，能夠滿足絕大多數(shù)高校現(xiàn)階段的需求及未來較長時間的系統(tǒng)擴展。本系統(tǒng)的整體方案框圖如圖1所示。

　　由圖1可知，整個系統(tǒng)中的視頻采集由攝像頭來完成，音頻采集由MIC來實現(xiàn)，并通過對數(shù)放大來實現(xiàn)音頻信號的放大。由于本系統(tǒng)可以對32個教室進行音視頻監(jiān)控，考慮到采集卡的成本以及顯示的有效性(太多教室同時顯示不便于觀察)，本系統(tǒng)采用同時監(jiān)控4個教室的方案，32個教室進行分時監(jiān)控，同時為了靈活監(jiān)控，系統(tǒng)采用矩陣切換器實現(xiàn)對音視頻的切換選擇和監(jiān)控。經(jīng)選擇后的音視頻信號傳送至音視頻采集卡并在PC機上顯示和播放，本系統(tǒng)選用的是天敏 10MOONSMD2040采集卡。同時對音視頻的選擇由上位PC機(控制機)來控制，即發(fā)送控制指令?？刂浦噶钔ㄟ^RS232協(xié)議傳送至系統(tǒng)的主控制器，主控制器接收指令，解析指令并控制相應(yīng)外設(shè)執(zhí)行指令。系統(tǒng)中的外設(shè)主要是矩陣切換器和終端控制器。終端控制器主要接收主控制器對云臺、光圈的控制指令以及執(zhí)行控制指令和音頻的采集和放大。

　　2 電路的設(shè)計與實現(xiàn)

　　2．1 主控制器電路與實現(xiàn)

　　因為主控制器與矩陣切換器安裝在同一個機柜內(nèi)，距離很近，所以可以直接通過單片機的I／O口進行控制。為增強驅(qū)動能力，在單片機的輸出I／O口加一個反相器CD4069。

　　2．2 矩陣切換器電路與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)設(shè)計的是容量為32路音視頻的監(jiān)控，為簡化設(shè)計，及調(diào)試、安裝、升級等的方便，32路音視頻不在一塊PCB板上處理，而是分成4塊子板，每塊子板處 N8路音視頻，實現(xiàn)8路音視頻通道的8選1輸出功能，即4塊子板組成一個矩陣切換器，在同一時間實現(xiàn)32選4輸出功能。每塊子板的電路圖如圖3所示。

　　在圖3中，J1…J8為繼電器線圈，用雙刀雙擲繼電器J4078實現(xiàn)音視頻的同時切換。J11、J12為跳線插座，該跳線為子板設(shè)置地址，當(dāng)設(shè)置的子板地址與主控制器的子板選擇地址(A0、A1、A2)相同時，該子板塊的4099處于工作狀態(tài)，這時，再通過主控制器的通道選擇指令(cmd0、cmd1、 cmd2)使J1…J8中任一繼電器完成切換動作，實現(xiàn)某一路音視頻的同時選通。

　　2．3 終端控制器電路與實現(xiàn)

　　終端控制器主要實現(xiàn)兩方面功能，一是根據(jù)主控制器的指令對一體化攝像頭和云臺進行控制，一是采集當(dāng)前教室的語音信號并進行處理和上傳。

　　2．3．1 攝像頭和云臺控制電路與實現(xiàn)

　　如圖4所示，通過MAX485接收RS485控制總線的控制指令并根據(jù)指令控制繼電器組動作以實現(xiàn)云臺電機的上、下，左、右旋轉(zhuǎn)和光圈電機的變焦、拉遠(yuǎn)／近、明／暗調(diào)節(jié)。用芯片MC145027完成單片機指令的解碼，單片機對終端控制器的選擇發(fā)送的是地址指令，對終端控制器的控制發(fā)送的是數(shù)據(jù)指令。只有當(dāng)單片機發(fā)送的地址指令與MC145027設(shè)置的地址相同時，MC145027才接收單片機的數(shù)據(jù)指令，即控制指令。從而實現(xiàn)對每個終端的可尋址單獨控制。

?　　2．3．2 語音信號采集與處理

　　因為要采集教室各個位置(一般在20～50m2范圍內(nèi))的語音信號，使用普通的話筒放大電路顯然達(dá)不到要求。本系統(tǒng)采用對數(shù)放大電路進行語音放大，比較清晰地采集到了50m2范圍內(nèi)各個位置的語音信號。設(shè)計的對數(shù)放大電路如圖5所示。IC2為運算放大器，系統(tǒng)選用LM358實現(xiàn)二級運算放大。

　　3 總結(jié)

　　利用傳感技術(shù)和電子技術(shù)實現(xiàn)了大學(xué)英語自主學(xué)習(xí)的有效實時監(jiān)控，本系統(tǒng)設(shè)計思路簡單、成本低廉、方便實用。對提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自覺性，監(jiān)控自主學(xué)習(xí)設(shè)備和軟件平臺運行情況，防止人為破壞造成的不必要損失，提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性等起到了非常重要的作用