周江

摘要： 针对目前语文教学设备落后的现状，利用现代电子技术，使用单片机、大容量NAND Flash存储器和LED显示屏等设计出适合小学低年级语文教学使用的汉语教学机。该机能进行汉语拼音、普通话音节、词组和课文的教学。大容量NAND Flash存储器里存储的内容与教材一致，能有效地提高语文教学的效率和效果，特别是该机特有的汉字笔顺的显示功能，对学生汉字书写的规范性有极大的帮助。

关键词： 汉语教学机； 单片机； NAND Flash； LED； 汉字笔顺

中图分類号：TN912

文献标志码：A

文章编号：2095-2163（2017）04-0111-04

0引言

在当今的国内国际环境下，汉语学习赢得广泛关注，对汉语学习手段的现代化要求也日益迫切。而“汉语教学机”的研制开发正是顺应了这一广阔鲜明的市场需要。

查阅中小学教学仪器的配备标准，理科课程的教学仪器明显带有更多新技术的痕迹，而语文教学基本上还都是采用挂图的形式。与语文教学有关的只有“汉语拼音示教仪”，其功能也仅仅涉及声母、韵母、整体认读（以下简称整认）音节的发音，而并未提供视像显示。另有研究指出，学生仅靠听可以记住全部信息的15%，仅靠看可以记住25%，而视听结合则可使学生记住全部信息的64%以上[1]。为此，视听结合的汉语教学机即已成为该领域研究的发展方向。

[JP2]另外，由于计算机的普及，明显挤占了国人书写汉字的机会，这就造成了对汉字书写在规范掌握上的难题。在一些与汉字书写有关的电视节目中，虽然参与者均是学生中的佼佼者，但却依然存在诸多不规范的情况，这与目前汉字书写规范较为落后的教学手段有一定关系。“汉语教学机”特有的汉字笔顺显示功能，则能对汉字的书写发挥有效的教学规范作用。[JP]

1汉语教学机功能分析

“汉语教学机”主要有以下6个功能：

1）汉语拼音的23个声母、24个韵母、16个整认音节[2]的读音和显示。

2）普通话1 204个拼读音节的读音和显示。

3）普通话拼读音节所对应的汉字（一、二级字库，共6763个）[3]显示。

4）一级字库汉字（共3 755个）[3]的书写笔顺显示。

5）词组的朗读和显示。最初的设计是，词组的声音由构成该词组的每个汉字的声音拼接而成，比如，词组“中国”的发音，分别输出“中”和“国”的声音，两者之间稍微有点延时就行了，但实际做出来后发现效果很差，没有抑扬顿挫的感觉，不象正常人说的话，后改为使用完整的词组的声音。

6）课文（句子）的朗读和显示。因为显示屏容量的原因，使得课文的朗读和显示实际上是由句子构成的，这样显示屏的容量只要能满足一个句子的显示就可以了。

2系统硬件构成

“汉语教学机”的系统框图如图1所示。

2.1显示单元

采用红色高亮LED，分辨率128*48，使用16*16的汉字点阵，每屏可显示24个汉字。小学低年级语文课文的句子一般比较短，这能满足使用者的需求。

2.2输入单元

输入单元可以是标准键盘、红外遥控器或自己设计的矩阵键盘。可得阐释分析如下：

首先，使用标准键盘无疑是最省事的，输入方式同电脑上的拼音输入法类似，但与汉语拼音的教学不同步。比如，输入chang，用标准键盘需要输入5个字母，但从拼音的角度看，chang是由声母ch和韵母ang构成的。虽然也可以有解决办法，比如定义标准键盘上某个键为ch等，但这样需要定义的太多（23个声母、24个韵母、16个整认音节，共有63个），并不直观，而且与平常的习惯差别太大，使用者会觉得不方便而不愿意使用。

其次，采用红外遥控器的最突出优点，是教师无需邻近教学机的旁边才能操作，但缺点也很明显，红外遥控器比较小，在上面配有几十个按键，在使用上将增加一定难度。

最后，用自己设计的专用矩阵键盘，完全按照声母、韵母、整认音节的排列方式设计，虽然按键数量同样也多，但可以排列得较为直观、方便。在“汉语教学机”中实际使用的是8*9的矩阵键盘。

有一部分的键是复用的。比如，韵母的前10个（a～ao）分别是数字0～9，用于在词组或句子功能下输入词组或句子的编号，1声声调键也是回车键，用于对输入编号的确认。这样，用4个声调键可以分别实现重复、前一个句子（词组）、后一个句子（词组）、连续等功能。

2.3存储单元

选用NAND FLASH芯片。

人的语音的频率大致在300～3 400 Hz之间[4]，根据奈奎斯特定理，采用8 KHz的采样频率，也能做到无失真的回放，考虑到保留一定的泛音能够使音色更好一些，应该采用更高的采样频率，比如，电话的语音一般就是单声道、8 bit、11.025 KHz的采样[4]。由于连续的语音比单个的语音在音效上更容易听得清楚，所以在汉语教学机中使用单声道、8 bit、采样频率22.05 KHz就能做到无失真的回放。汉语平舌音的频率高于翘舌音，根据经验，翘舌音采用11.025 KB/s的采样频率也能做到基本无失真的回放。如果选用8 Gb的NAND FLASH芯片（比如SAMSUNG的K9G8G08U0M[5]），即使全部使用22.05 KHz的采样频率，在不采用任何语音压缩技术的情况下，也能存储800 min左右的声音信息，完全能满足一般的需要。近几年来，NAND FLASH的容量越来越大、价格越来越低，所以在这种不需要对语音信号进行传输的应用中，完全不需要采用语音压缩技术了，可以直接使用WAV格式的语音数据。另外，存储在NAND FLASH芯片中的信息，格式可以自行定义，可以轻松获得较高的保密性。endprint

2.4控制单元

由单片机和外围电路构成，是本系统的核心。

单片机的选择主要考虑系统对硬件资源的需求。LED点阵屏一般采用串行的驱动方式，所以单片机要有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）的功能；点阵屏的大小为128*48，需要的显示缓冲区为768字节（128*48/8），这样单片机内部的RAM至少需要2 KB以上；输入单元是8*9的矩阵键盘，需要17条I/O口线，存储单元选用NAND FLASH，需要14条I/O口线（数據线8条，控制线6条），所以单片机至少要有4个以上的8位I/O口。由于需要输出声音信息，单片机内部即需配备D/A转换器。另外，因为NAND FLASH的工作电压是2.7 ～ 3.6 V[6]，为使接口电路简单方便，应该选用低工作电压的单片机。

根据以上分析，实际选用的芯片是TI的MSP430F1611。该芯片工作电压1.8～3.6 V，配有48 KB的ROM和10 KB的RAM、2个SPI接口、6个8 bit I/O口、2个12 bit电压输出型的D/A（可设置为8 bit的分辨率）和2个16 bit的定时器等[7-8]，完全能够满足系统的需要。

3电路框图

语言教学机中所使用的电路比较常见，以下主要阐述MSP430F1611与K9G8G08的接口电路和128*48 LED屏的控制驱动电路。

3.1MSP430F1611与K9G8G08的接口电路

K9G8G08采用48脚的TSOP封装形式，实际使用19个引脚。图2即是MSP430F1611与K9G8G08的电路连接图。其中，K9G8G08的19脚是写保护，具体到本次设计中，只需要对K9G8G08进行读的操作，没有擦除和写的操作，为此在实际电路中是固定接地的（写保护有效）。

3.2128*48 LED屏的控制驱动电路

128*48的LED屏实际并没有接成128*48的矩阵，而是接成64*96的矩阵，因为前者对应的连接需要176（128+48）条控制线，后者所需要的控制线是160（64+96）条，少16条控制线。其中的64条是扫描线，分接的是LED点阵的负端；96条是数据线，另接的是LED点阵的正端。64条负端的扫描线是由4片4-16译码器4514产生的，任何时刻有且只有1条为“1”（高电平），再经过8片ULN2803作为驱动，连接到LED屏的64个负端。96条数据线是用12片级联的74HC595产生的，该组器件将由单片机SPI口输出的串行数据转换成并行数据，送到LED屏的96个正端。图3就是LED屏的控制驱动电路的框图。

图3中，MSP430F1611的P3.4、P3.5分别连接二进制计数器的时钟和复位信号；二进制计数器是4024，电路中要用到其7位输出中的6位，最高位不用，低4位连接到4片4514的输入端，高2位经过3-8译码器74HC138后输出4条控制线，分别接到4片4514的INH（禁止端，23脚），这样将可保证任何时刻只有1片4514有效；P3.1、P3.3、P3.6分别是12片级联的74HC595的数据、时钟和锁存信号，其中数据信号只接第一片74HC595。

3.3电路的其它部分

8*9的矩阵键盘分别连接到P4、P5和P6.0，其中P4口是键盘的8条输入线，P5和P6.0是9条扫描线。D/A使用DAC0，对应的引脚是P6.6，语音信号从这里输出。

4软件设计

4.1声音输出程序设计

这部分程序设计中最关键的是对K9G8G08的操作。在本设计中，程序只需要对K9G8G08进行读的操作。从K9G8G08的器件手册中，可以查到该操作的程序流程，此处将不再赘述。

[LL]

对K9G8G08读的程序在定时器中断时调用。对于22.05 KHz或11.025 KHz的WAV文件，定时器的中断周期分别为45.35 us或90.7 us。对于单声道、8 bit的WAV文件，对应频率可以在文件的第0x18、0x19字节得到，对于22.05 KHz和11.025 KHz的WAV文件，这2个字节的值分别是0x22、0x56和0x11、0x2B，声音信息从第0x2C个字节开始[9]。

声音输出的程序流程如图4所示。对声音的WAV文件数据，预先加入了一些处理：数据中的0x00均被改为0x01，再将文件的最后一个字节改为0x00，这样就可以用0x00作为声音文件的结束标志了，而数据中的0x00被改为0x01，对声音几乎没有影响。

当然完全可以不这样做，使用对声音数据计数的办法也未尝不可。因为WAV文件中是有声音数据长度信息的，存储在文件的第0x28 ～ 0x2B这4字节中，采用小端模式存储，即第0x28个字节存储的是声音数据长度的最低位[9]。

4.2汉字笔顺显示的流程

要能在点阵屏上显示出汉字的笔顺，只需按照书写的顺序，逐个点亮笔画中的点。以汉字“工”为例，其笔顺的显示过程如图5所示。

从图5中可以看出，第1次亮第1个点（左上的点），第2次亮第2个点（第1个点保留），第3次亮第3个点（前2个点保留）……。所以，笔顺的显示实际上是由一帧帧的画面构成的：第1帧显示第1个点，第2帧显示前2个点，……，第N帧显示前N个点……，直到显示完最后一个点。显示的汉字有多少个点，其所对应笔顺显示就由多少帧的画面构成。这样，视觉呈现效果即如有一支无形的笔，在屏上“写”出了汉字。

根据上面汉字笔顺的显示原理，可以设计汉字笔顺字库的格式，将需要显示的点的坐标，按照书写的顺序递次排列即可。

比如，以右上角为坐标原点（0，0），每个点的坐标用一个字节表示：高半字节为横坐标、低半字节为纵坐标（也可相反），如图6所示。endprint