基于DSP的数字多媒体网络教学终端研究

2020-12-21何志鹏

通信电源技术 2020年2期

何志鹏

（浙江越秀外国语学院，浙江绍兴 312000）

0 引言

进入信息时代以来，整个社会发生了翻天覆地的变化，信息技术已经深深地渗透到生产生活中的每个领域。数字多媒体技术是信息技术的重要分支之一，近年来也得到了快速的发展，尤其是在教育系统中更是得到了相当广泛的应用[1]。同在信息化的发展中，嵌入式系统也迎来了发展的新时代，并逐渐被应用到数字多媒体终端的设计中，通过其控制、计算和通信功能，将大量的教学资源集中在一个统一的多媒体平台中，满足多元化的教学需求[2]。

1 系统需求分析

1.1 功能需求

从实际教学场景出发，数字多媒体网络教学终端主要服务于教师的教学活动和学生的学习活动，并且需要适应不同学科的教学和不同教学风格的教学过程，特殊情况下对网络资源也有严格的要求[3]。因此，本系统的功能需求可以分别从教师和学生两个角度进行分析。学生功能的需求包括：学生随时随地通过网络进入学习平台、在学习平台中可以选择虚拟教室，在课堂中可以进行提问和在线练习，对讲课过程可以复听或录音下载，学生可以与教师建立通信进行对讲，网络条件差的情况下还需要进行信道切换。教师方面的功能需求包括：对学生进行分组、提问、在线发布习题、展示各类教学资源，教师还可以选择任意一位或多位学生进行对讲，提供课后回放功能。

1.2 性能需求

（1）信号传输质量需求。网络教学平台依靠网络进行信号传输，因此网络传输速度是保证系统实用性的重要因素。基于DSP的数字多媒体网络教学终端必须满足语音和视频画面的高质量实时传输，并且可以同时双向传输多路信号，延时控制在1/4 s以内。信号质量需要通过误码率进行控制，要求尽可能实现原声和原图传输，缩小与实体教室授课的心理差距，保证教学活动的顺畅。

（1）扩展性和兼容性需求。前已述及，多媒体技术更新换代的速度较快，但考虑到成本因素，多媒体系统不可能反复更换，因此要求原系统具有良好的可扩展性。数字多媒体终端中包含了大量的硬件模块，模块间需要相互协调完成教学功能，不同的模块之间应具备良好的兼容性，为后续系统升级和维护提供条件。

2 硬件系统设计

2.1 总体方案设计

本系统是一种低成本的独立终端设备，因此采用嵌入式设计是最佳选择。系统以数字信号处理器DSP芯片为核心，结合CPLD网络适配器和功能接口进行电路开发。整个系统可以分为时钟电源单元、语音处理单元、编码解码单元、信号接口单元、存储单元及网络适配单元。语音信号的处理采用了模/数和数/模转换模块，采用MCI45480芯片进行编码和解码，同时完成多路信号的传输控制，满足多任务教学需求。网络架构以XC95288XL网络适配芯片为中心，用户通过特定的网络协议连接至远程网络多媒体教学平台。根据系统功能需求，接口电路包括网络接口和模拟信号接口，其中模拟信号接口用于接收外部输入的语音信号，也可以将语音信号广播至所有用户终端。为保证语音信号传输的实时性，充分发挥DSP多通道缓冲串口的作用。

2.2 微处理器选择

微处理器是数字多媒体网络教学终端的心脏，理论上讲，微处理器的性能越高越好，但实际应用必须综合考虑性价比。教学用数字多媒体网络教学终端对性能并不需要使用最高级别的芯片，因此本系统采用了TMS32OVC5402。该芯片在市场上已经有多年，经受了众多应用领域的实践考验，是一款综合性能不错的相对廉价的DSP芯片。TMS32OVC5402采用多总线哈佛架构，在数据处理速度和指令执行速度上均有很大的优势，芯片内部集成了独立的硬件乘法/加法器和DMA总线控制器，成为提高处理速度的硬件保证，DMA还允许用户通过程度实现并行计算。TMS32OVC5402具有多处理器接口、JTAG标准测试接口和外设多通道缓冲串行口，扩展性和兼容性俱佳，芯片内部采用数字信号模式，搞干扰能力强，可集成性能好。

数字多媒体网络教学终端中的主要功能需求是进行语音信号的实时传输，TMS32OVC5402芯片内部自带的多通道缓冲串行口MCBSP，可以与语音信号处理芯片进行方便地连接，实现多任务操作，同时可以通过网络适配单元接入外部局域网。因此，TMS32OVC5402芯片具有较高的性价比，在功能上完全满足数字多媒体网络教学终端的功能和性能需求。

2.3 网络结构设计

本系统的网络采用了双令牌链总线型结构，即网络中提供一条总线和两个令牌，这两个令牌均由教师终端生成，分别作为网络中的工作链和查询链。这种设计的优势是使学生终端和教师终端之间更方便地进行状态识别和信息传递。无论学生终端是否处于开机状态，也无论其是否进入虚拟教室，查询链令牌都会发给每一台学生终端。如果该学生终端已经在虚拟教室中，则会通过收到的查询令牌将自身的令牌上传至教师终端。

双令牌链总线型结构是一种常见的网络结构，其可靠程度可以与传统的以太网进行媲美，即使网络中的某个节点出现故障，也不会影响到其他节点的正常运行。链式结构对电缆的需求量大大减少，布线实施过程也较方便，挂在同一总线上的终端可直接共享数据，实时性很强，对所有终端进行广播也变得极为简单。链式总线会为对每个信道的资源进行限制，不会出现某终端独占信道资源的极端情况。链式总线结构相当于将任意两个终端进行直接相连，因而无需以太网结构中的网络层。除了取消网络层外，本系统的网络结构符合ISO提出的开放系统互联参考模型。

2.4 PCM编码解码单元设计

话筒中的振动传感器接收到的语音信号实际上是一种连续型的模拟信号，这种信号是无法在DSP芯片中进行处理的，因此必须将其转化为数字信号。本文采用模/数转换的方法得到数据信号，但不直接引入专用A/D芯片，而是与后续的编码解码单元一同实现。系统中的编码解码芯片采用了M1C45480，其内部集成了A/D和D/A转换功能，解决了语音信号的输入问题。PCM芯片作为外围设备与DSP通过MCBSPR接口相连，可以完成双缓存、全双工的实时通信任务。根据人类语音的特征，语音信号采样的频率采用8 kHz即可保证不失真，信号格式为脉冲编码A律格式。模拟信号统一采用MCLK引脚输出的脉冲时钟，收发双方频率均为2.048 MHz。考虑到DSP芯片的时钟频率为40 MHz，因而必须单独提供，不能与PCM共用。在语音信号的传输过程中，必须保持McBSP的发送时间和DSP的接收时钟处于同步状态。

3 实时多任务操作系统

DSP作为系统的核心，原则上它必须同时完成语音信号处理、终端间的通信以及全系统的指令控制等任务，但DSP的优势主要体现在数字信号处理上，在控制性能上还远比不上传统的单片机或CPU，因此要让DSP芯片完成所有任务不太现实，也不太合理。然而，实时多任务操作是数字多媒体网络教学终端所要求的一般功能。本文的解决方案是将实时多任务操作系统通过软件来实现，避免给硬件资源带来巨大的消耗。

DSP/BIOS实时操作系统正是为解决这类问题出现的，尽管该操作系统不是DSP芯片的内部组成部分，但DSP芯片提供了专用接口可以与其进行对接，将DSP/BIOS作为主系统的外设来处理，在逻辑设计上变得比较简单。DSP/BIOS实时操作系统的应用不仅解决了实时多任务操作的难题，而且还将DSP从复杂的系统控制和通信任务中解放出来，更好地完成数据信号处理任务，实现高质量语音信号传输。在多任务操作过程中，根据任务的重要程度，可以对每个任务设置一个优先级，DSP/BIOS会优先响应优先级高的任务，然后再依次响应优先级较低的任务，这种设计给系统的应用带来了很大的灵活性。

4 系统的应用

本文设计并实现的基于DSP的数字多媒体网络教学终端在某中学进行了为期一学年的试运行，结果表明，系统运行稳定可靠，师生之间可以进行实时的在线沟通，语音传输及时，声音清晰可辨，完全满足日常教学要求。但是，随着网络教学的的发展，一些师生提出了视频传输需求。尽管本系统具备视频传输功能，但由于DSP性能和学校网络带宽不足等因素造成传输效果不佳，这需要对系统进行深入的优化，不断满足师生的需求。实际上，随着DSP技术的发展，视频传输也日益成为普遍应用的多媒体技术，使师生之间的在线教学与学习更加接近于传统面授的效果。