（系统工程专业论文）多媒体教学网络系统的设计与实现.pdf

簿辅辩挂大学磷究生虢学谯论文 摘要 逐年来，多媒体教学网络系统作为汁算梳辅助教育系统中新的一爨，广泛罨l 越了 人们的关注。 作者往参加研案go m n 2 0 多媒体教学赠络系统秘参考嚣内辨丈鬣资褥髂器礁。， 完成了本论文。j 本文包括以下内容：多媒体教学丽络系统实现的功能；系统总体方案 的提出和确定；系统骥 牛系统魄妪蛰奄贡：+ 褪颁、”通篱子系统髓墩诗) 。戆设诗；系统 软件吐艨较档、w 通德接口软棒鞠瞬绦接磁较律 的设计与实现；诿鬻援救嚣的设计 与实现；键盘鼠标控制。 由于零系统采用了专用的模稼网络健输音频、援频信号，在教室范匿内僳_ l 正了多 媒体信号酶无失囊、实靖潮参佟输。馕课堂教学的影视频效果达至0 最佳。 语音播放器怒为多媒体教学网开发的跗助语言学习软件，莉闵教师主控计算梳静 多媒体功能，实璎语言学习累统黪功憩。提如并实现了波形文彳牛的录制、播放，戳爱 港句蚓蹒点豹寻找螅解决方法。 键盘疑标控制是多媒体教学网络的关键技术，文牵对其软件、硬件实现方案郑 蕈 了礤究。在对w i n d o w s 的内部运行梳制深入研究豹基础上，遮用廛羧没螯驱动方法， 嗣软佟实现了键盘鼠标控制。根据对键盘鼠栋硬件数据传输方式豹分橱，采掰键巍蘸 栎切换总线。用磺件方法实现7 键盘鼠栎控制。实践诞明，这两套方案酃有效魂宠戒 7 键盘鼠标控维i 功能。) 【关键调】 强! 虚拟设蕊驱动程序分布筑系统视频子系统 意频子系统词络接口 里堕丝垫叁兰丝! ! 篁堡兰丝堡苎 a b s t r a c t a san e wm e m b e ro fc o m p u t e ra s s is t e di n s t r u c t i o n ( c a i ) s y s t e m s ，m u l t i m e d i a e d u c a t i o n a ln e t w o r ks y s t e mh a sd r a w l e dp e o p l e s a t t e n t i o nw i d e l yi nr e c e n t y e a r s b a s e do l lt h ee x p e r i e n c ei np a r t i c i p a t i n go fo m n 2 0 0 0p r o j e c ta n dr e f e r e n c e s t oa1o to fm a t e r i a lsa th o m ea n da b r o a d ，t h ea u t h o rc o m p l e t e st h i st h e s i s i tc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： t h ef u n c t i o no ft h i ss y s t e m t h ea r c h i t e c t u r eo ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m t h ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e m ( a u d i o ，v i d e oa n dc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m s ) 1 、h e d e s i g no fs o f t w a r es y s t e m ( h i g h l e v e ls o f t w a r e ，n e t w o r ki n t e r f a c e ， a n dc o m m u n i c a t i o nin t e r f a c e ) t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa u d i o p l a y e r t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm o u s ea n dk e y b o a r dc o n t r o l o w i n gt ot h ea d o p t i o no fs p e c i f i ca n a l o gn e t w o r kt ot r a n s m i t t i n ga u d i oa n d v i d e o s i g n a l s ，t h es y s t e m c a n t r a n s m i t t i n g t h ea u d i oa n dv i d e o s i g n a l s s y n c h r o n o u s l yi n r e a lt i m ew i t h o u ts e n s i b l ed i s t o r t i o n a u d i o p l a y e ri s a na u x il i a r y 1 a n g u a g e1 e a r n i n gs o f t w a r et h a tw ed e s i g n e d f o rt h em u l t i m e d i ae d u c a t i o n a ln e t w o r k ，i tc a nu t i l i z em u l t i m e d i af u n c t i o n s p r o v i d e db y t h ein s t r u c t o tm o n i t o rc o m p u t e rt or e a l i z et h ef u n c t i o n so f l a n g u a g el e a r n i n gs y s t e m m e a n w h il e t h e s y s t e mp r o v i d e st h em e t h o d sf o r r e c o r d i n g ，p l a y i n go fw a v ef o r m a ta u d i of il e sa n ds e a c h i n gs e n t e n s eb r e a k s m o u s ea n dk e y b o a r dc o n t r o li st h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo fm u l t i m e d i ae d u c a t i o n a l n e t w o r ks y s t e m t h et h e s i st h o r o u g h l y i n v e s t i g a t et h et w ow a y st oi m p l e m e n t m o u s ea n d k e y b o a r dc o n t r o l ：s o f t w a r ea p p r o a c ha n dh a r d w a r ea p p r o a c h i n s o f t w a r e a p p r o a c h ， b a s e do n d e e p l yu n d e r s t a n d i n g o fw i n d o w si n t e r n a l m e c h a n i s m ，t h ea u t h o ru s ev i r t u a ld e v i c ed r i v e r w a yt oo v e r c a m et h es h o r t c o m i n g o fm u l t i t a s ko p e r a t i o ns y s t e mi nr e a l t i m e r e s p o n s e i nh a r d w a r ea p p r o a c h ， a f t e ra n a l y z i n gt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm o u s ea n dk e y b o a r d t h ea u t h o r d e s i g n e dm o u s ea n dk e y b o a r ds w i t c h in gb u s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr u n n i n g o fo m n 2 0 0 0 ，t h et w oa p p r o a c h e sb o t hw o r kw e l1 k e yw o r d s lc a i ， v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ，d is t r i b u t e ds y s t e m ， v i d e os u b s y s t e m ，a u d i 0s u b s y s t e m ，i n t e r r a c eo fn e t w o r k 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第一章概论 1 1 计算机辅助教育( c b e ) 的发展 改革开放以来，从我国提出了“科教兴国”的战略之后，教育受到了越来越高的 重视。当今世界，各国之间的竞争主要是综合国力的竞争，而综合国力的竞争，实 质上是人才的竞争，教育的竞争。因此各国政府和社会各界都加大了对教育的投入， 同时教育本身也必须加大改革力度，使我国教育由应试教育向素质教育转变，改变 传统教育模式，优化教学过程，提高教学效率，加强能力培养，使学生获取更多知 识，从而提高教学质量，增强全民素质。采用什么样的教学手段和设备才能实现上 述目的昵? 这一直是教育、科研领域讨论的问题，且为此做出了不懈地努力。 计算机技术在教育领域的应用是本世纪后半期教育发展的重大成就之一，也是当 今教学现代化的标志。计算机辅助教育( c o m p u t e rb a s e de d u c a t i o n c b e ) 是计算 机应用于教育领域的一个重要方面，其应用范围曰益广泛，已经辐射到家庭教育、 学校教育、社会教育的各类学科和管理上，并将继续向信息化的方向发展。 计算机辅助教育可分为两大方面：一方面是计算机辅助教学( c o m p u t e ra s s i s t e d i n s t r u c t i o n c a i ) ，是指利用计算机帮助或代替教师执行教学任务，传递教学信息，向 学生传授知识和训练技能，直接为学生服务。另方面是计算机管理教学( c o m p u t e r m a n a g e di n s t r u c t i o n c m i ) 是指利用计算机评分，建立题库，进行教学计划管理， 质量评估，教学资源调度等，直接为教师服务。 计算机辅助教学进入教育行业将引起教学方式的重大变革，它是教学方式和教学 手段现代化的主要标志，对于我国教育由应试教育向素质教育的转变，将起到革命 性的作用，对于教学改革和提高教学质量将起到巨大推动作用。 随着近年来计算机技术及其相关技术的飞速发展，计算机网络技术，多媒体技术， 音视频技术，控制技术的发展和相互融合渗透，形成了完善的软硬件环境，为c a i 的发展提供了巨大的动力。 c b e 在我国的发展起步较晚，比欧美等发达国家落后了近2 0 年，但在众多科研 部门和教育部门的重视与努力下，近5 、6 年来发展迅速，已经出现了一批成果。首 先是以教学软件开发为主，以科利华为代表的几十家公司投入巨资开发出大量中、 小学家教软件和课堂教学软件，受到广大用户的欢迎，以c a i 为主要内容的光盘随 处可见。同时也推出了一批课件制作系统、备课系统等，各个大学也推出了一批课 程软件( 课件) 。c m i 也发展迅速，如中学校长办公室系统、校长教学评估系统，各 个系统已被普遍采用，提高了教学管理水平。随着计算机硬件的性能价格比不断提 高，许多学校建立了校园网络，并已开展了远程教学，以便从更大程度上共享教学 资源，传统制作教学材料的时代已基本结束，现已全面迈向了c a i 教学时代。 c a i 教学软件的发展又对现代化教学设备提出了更高的要求，许多学校在购买教 第1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 软件之后，没有合适的教学设备进行使用，教学软件只能面l 临束之高阁的命运。因此 必须研制相应的的教学设备，以适应c a i 教学的高速发展。 1 2 多媒体教学网络系统 1 2 1 传统c m 教学系统的缺点 长期以来，c a i 教学系统很落后，不能满足c a i 教学需要。其状况如下： ( 1 ) 用一台计算机安装c a i 软件进行演示，许多学生围着观看，不能亲自操作，没有交 互功能，虽然与传统教学相比具有较好的直观性，但效果仍不是很好。 ( 2 ) 购买大屏幕投影设备，资金投入较大，效果比单台计算机要好，但与幻灯片投 影仪相似，仍不能取得交互式教学的效果。 ( 3 ) 传统电化教室，安装数台监视器或电视机，通过录像机等播放电教片，但通过 c a i 制作平台开发的c a i 课件不能在该系统上播放。也不具有交互功能。 ( 4 ) 建立计算机机房，由学生自主上机，其缺点是不能由教师组织课堂c a i 教学， 教师与学生之问交流不方便，且易于感染病毒。 ( 5 ) 建立计算机局域网络系统，可共享软件，但安装维护麻烦，由于网络速度较慢， 不适合于实时传输图像和声音，也不适合用来进行c a i 教学。 由上面的分析可以看出，尽管计算机的软硬件技术有了较大的发展，但仍不能满足 c a i 教学的需要，必须研制出一种集当代先进技术，如：多媒体技术、计算机网络技术、 音视频技术、控制技术于一体交互式c a i 教学系统，即多媒体教学网络系统。它不同 于传统的多媒体语言学习系统，多媒体语言学习系统是在传统语言学习系统的基础上 加上了图像广播功能，它的声音是双向的，而图像是单向的，不具备教学网络系统的 图像示范、监看功能，也不能控制学生机的键盘和鼠标，不能达到教师和学生之间交 流的目的，而多媒体教学网却具备了语音学习系统规定的功能，在一定程度上可以代 替语言学习系统。多媒体教学网络系统是集c a i 教学、电脑上机、语言学习、视听阅 览于一体，可以共享多种多媒体设备的现代计算机辅助教学系统。 该系统代表了教育电脑和电子教室的发展方向，它的诞生是现代教学方法的场变 革。它超越传统教育的界限，使教学环节更加规范，教学效率更加提高。它有利于激 发学生创造性的思维，使学生在学、看、听、练等方面达到完美结合。因此，多媒体 教学网络系统自从它一出现就以极快的速度发展，并迅速在广大的中小学和高等院校 中应用起来。 1 2 2 理想的交互式计算机辅助教学系统 我国的教育历来以教学严谨，方法细致著称。然而目前存在的几种模式都不能令 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 人满意的完成c a i 教学任务。因为它们不能实现教师集中地管理学生机，教师在课堂 上不能有效地和学生进行交流，学生机使用不在教师的监控下进行，而且不能更有效 地应用多媒体技术。 研制教学网络较早并且比较成功的公司是台湾宏伟公司，其产品为t o p s c h o o l 。之 后国内、外相继推出类似产品，通过对这些产品的分析和对比论证，教学网系统主要 可以分为以下几种形式： ( 1 ) 纯软件教学网络，采用l o m 或i o ( n 局域网，只能传送静态图像，声音质量很 差，且不具备实时效果。 ( 2 ) 部分脱离局域网，采用串行总线和模拟网相结合，串行总线用来传送控制命令， 模拟网用来传送音频视频信号，键盘和鼠标控制采用局域网。串行总线网主要 遵循r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 标准。数据传输速率较低，且不能避免网络冲突。不具 备考试功能。 ( 3 ) 完全脱离局域网，模拟网、串行总线网与鼠标、键盘切换网相结合，串行总线网 传送控制命令，对其他类型的数据无能为力。 ( 4 ) 局域网与模拟网相结合，局网传输数据和命令，模拟网传输音频、视频信号。 此时局域网的维护与安装也比较繁琐。 综上所述，目前的多媒体教学网络系统多存在这样那样的问题，通过对其结构和 功能的改进，可使它更加完善的实现这样的系统和功能。 比较理想的c m 教学系统应具备以下特点： ( 1 ) 操作简便易学。 ( 2 ) 系统的环境组织结构必须符合学校的实际情况。 ( 3 ) 采用该系统进行c a i 教学必须符合我国的教学传统。 ( 4 ) 采用多媒体技术。 ( 5 ) 完全脱离局域网络构成c m 教学系统。 1 2 3 系统功能 根据学校c a i 教学的实际要求和对国内外相关系统的考察，提出了本系统的主要功 能。 ( 1 ) 教室布局设计 用户可根据教室的大小及学生机在教室中的平面分布情况，设计学生机图标和讲台 在教师机界面上的分布，使教师能方便直观的进行课堂教学。 ( 2 ) 广播 将教师机的画面( 包括动态图像) 、及声音实时广播给学生机。包括以下几种方式： 部分广播：将教师机的画面( 包括动态图像) 及声音实时广播给选中的部分学生 机。 全体广播：将教师机的画面( 包括动态图像) 及声音实时广播全体学生机。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 监看 将学生的音视频信号切到教师机。 单个监看：将指定学生的音视频信号切换到教师机。 部分循环监看：将指定部分学生的音视频信号按学生编号的顺序以一定的时间间 隔依次送给教师机。 全体循环监看：将全体学生的音视频信号按学生编号的顺序以一定的时间间隔依 次送给教师机，可以指定丌始学生的编号。 ( 4 ) 全体通话 教师和全体学生讲话 ( 5 ) 插话 在播放节目时，教师进行插话，学生在观看画面和听节目时，也能听到教师的讲解。 ( 6 ) 键盘、鼠标控制 教师可以控制指定学生机的键盘和鼠标，在学生有疑难时，教师可以在远端操作学 生机，帮助学生学习。在上课时，为了集中学生的注意力，还可以锁定学生的键盘、 鼠标。 ( 7 ) 复位 教师可以复位指定的或全体的学生机。 ( 8 ) 电子举手 学生遇到问题时，可以向教师请求解答，学生电子举手将在教师机界面中的该学 生机图标上做出标记，教师能立刻得知有学生请求帮助。 ( 9 ) 文字考试、考题分析 教师将文字考题传送到学生机，学生阅读题目并做出答案，答完题后，可以主动 交卷，也可等考试结束后由教师统一收答案。教师机上的考题答案分析软件对答案进 行分析、统计，通过分析后，得出名次、平均成绩等相关信息供教师参考。 1 3 系统特点 o m n 2 0 0 0 奥林达多媒体教学网络系统与同类系统相比，在系统设计思想，总体方案和 功能设计方面有以下特点。 1 系统整体结构合理 采用音视频总线、串行总线、鼠标和键盘切换总线与局域网络相结合的方式，各 个总线执行各自的功能，互不干扰。 音视频总线：传送音视频信号。 串行总线：传送控制命令。 局域网：完成文件传送和文件考试功能，同时传送学生的注册和举手信息。 鼠标、键盘切换总线：完成鼠标、键盘的切换控制。 其优点是除了考试功能外，都能脱离局域网环境下工作。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 采用了集中和分散两种音视频总线 设计了音视频控制器，也叫音视频h u b ，它采用集中而不是分散中继，提高了信 号质量并且可以进行分组，同时进行多个学生示范。可构成学生数量很多的大系统， 最多可以达到2 4 8 个学生，相当于8 个只有一个大组的教室。 3 配置灵活、操作简单、界面友好 采用了音视频控制器( h u b ) ，使教师机和控制机配置灵活，且二者无连接，不交 换信息。教师机可兼作控制机，也可采用教师机作为节目源而另设控制机，另设控制 机时避免了控制机上控制界面与教师机上教学内容界面的频繁切换，也可避免操作系 统切换。 4 学生机音视频控制器具有独立性 学生机音视频控制器与学生机无连接，具有独立电源，不管学生机是否开机，只 要c r t 加电，系统即可正常工作。 学生机控制器地址号用拨号开关设置而不使用跳线，灵活性大，学生控制器更换 座位时只需重播开关即可，而不必打开主机箱，更换跳线。安装、维护十分方便。 1 4 系统设计思想 一个系统能否研制成功，关键看是否有先进的设计指导思想。多媒体教学网络在 系统设计应具有以下特点。 1 技术先进 根据对国内c m 教学设备实际需求设计和学校教学实际情况，在设计本系统时， 采用当今最先进的技术将其集成设计出多媒体教学网系统。多媒体技术是将文字、图 表、动画( 二维、三维) 、声音、动态图象、静态图象等信息媒体集成在一起，通过计 算机进行综合处理的新技术。随着单片机技术和网络技术的发展，加上音视频技术、 控制技术的发展和综合应用，可以使分离的电脑上机、语言学习、c a i 教学和视听阅 览四项功能融为一体，构成一个多媒体教学网络系统。 2 符合传统教学习惯 系统的使用方式应符合我国授课方式，目前，国内教学的主要方式还是以教师讲 课，学生听课，以教师为主导的授课方式，因此，系统设计上应强调以教师为主体并 且有控制权。在课堂教学上，一般可分为教师授课( 示范) 和辅导学生练习两种方式。 教师的授课过程一般是强制性的，要求学生必须专心听课而不能做其他操作。为实现 此目的，系统必须具备实时同步音视频广播功能，并能够锁定学生的键盘和鼠标。教 师辅导过程是教师和学生对一进行交流的过程，它不但要求能够使学生在练习的过 程中向教师提出问题，而且要求教师能主动指导学生操作，进行辅导操作时，不仅要求 学生机的屏幕能在教师机的屏幕上显示，而且要求教师能控制学生机的鼠标和键盘，因 而要求网络必须是一个实时同步的双向影像、声音传输系统，这样才能达到师生交流 的目的。一个功能完善的c a i 教学系统应能很好地模拟这些过程。 第5 页 垦堕型耋垫垄查竺丝塞尘堕兰堡丝三 一 鼠标和键盘，因而要求网络必须是一个实时同步的双向影像、声音传输系统，这样才 能达到师生交流的目的。一个功能完善的c a i 教学系统应能很好地模拟这些过程。 3 操作简单、易学 采用中文菜单和联机帮助信息。系统简单易学，符合中国人的使用习惯。因此， 教师和学生不必花费很多精力就能熟练掌握系统的操作。 4 硬件性能稳定 采用最新的元器件设计硬件系统，如可编程逻辑阵列，r 、g 、b 驱动芯片等，由 于元件的集成度高，不仅硬件的体积小，而且稳定可靠。 5 共享多种媒体设备 为了共享多媒体设备，教师机上必须配备多种媒体信息输入输出设备。目前一般 应配备c d r o m 、录像机、影碟机( l d ) 、v c d 、d v d 、录音机、麦克风、耳机、音箱、 声卡、扫描仪、实物投影仪、手书笔等。 1 5 论文的主要内容 本文包括以下内容： 1 概论：介绍多媒体教学网的发展、现状、以及本系统的特点。 2 系统的总体方案设计：包括系统的功能要求，设计指导思想、系统软硬件总 体组成、系统的总体结构及不同结构方案的比较。 3 系统的硬件设计( 从功能的角度) ：包括音频子系统的设计、视频子系统的设 计和通信子系统的设计。 4 系统软件的设计：包括教师机软件、学生机软件、通讯接口软件和网络通信 软件的设计。 5 语音播放器的设计与实现。 6 键盘鼠标控制。 7 结束语。 8 参考文献。 第6 页 国防释学技术夫学研究生院学位论文 第二章系统总体结构 2 1 系统结构 从上一章掰阐述的多媒体教学刚功能可醣看出，整个多媒体教学网系统麓一个典 型戆分蠢式控铡系统。教 萃枫可l ；l 控锱系统商静其 龟任意节煮，学生视具有一定静自 主权，毽必须接受教烬极控制，并能、穆本极的状态传到教雾器橇，激馕教舜了解学生梳 的状态，掌掇课堂的馕提，控制上课的进程。因此必须在教9 曩；枧与学生蛾之瓣建立一 种传输媒介，来保证教师机与学生枧之间的音频、视频、控肇4 信惑的无失囊传羚。所 以整个系统采用总线方式，教师机与学生机酃挂在专用的总线上，如图2 1 所示。多 媒体教学网系统由软件和硬件两大部分组成。硬件部分由通信子系统、音频子系统、 视额子系统和控制子系统组成。各个系统负责不同的系统功能，由教师主控计算机、音 视频集线器、录音机控制器、教师控制台、学生控制器和学生计算机组成。 图2 1 系统构成示意图 软件部分由教师机软件、单片机控制软件、键盘鼠标接口软件、串口通信软件、网络 通信软件和学生杌软件等几个部分构成。 第7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 2 2 硬件设计方案 为了完成多媒体教学网的各项功能，实现对音视频信号的处理、控制和传输，必 须设计相应的硬件。 根据控制硬件与相应计算机的关系，主要有两种设计方案可供选择： 1 内置式 将音视频处理、通信等模块集成到一块板卡上，插在微型计算机的i o 扩展槽上， 不同节点之间的控制卡之间通过通信总线和音视频总线连接，由微机电源为插卡提供 电源驱动。 这种方案将板卡直接插在计算机的机箱内，音视频信号易受到干扰，音视频质量很 难等到满足。 2 外置式 将包含音视频处理、通信处理的电路板置于微机外，各电路板之间通过音视频总 线、r s 一4 8 5 串行通信总线进行传输信号。r s 一4 8 5 总线主要传输一些简单短小的控制命 令，一个控制命令仅由四个字节组成。键盘或鼠标控制可由独立的键盘鼠标切换总线 来实现，也可通过局网，由软件来实现。 虽然r s 一4 8 5 总线速度较慢，但对于发送控制命令，已经足够。 考试的数据量很大，包括考题数据、学生答案数据和考试控制命令。通过局网来传 输数据，具有速度快，稳定性高等优势。 电路板外置方式具有音视频信号质量好，安装维护方便等优点。通过以上两种方 案的比较，本系统采用第二种方案。 2 3 软件设计方案 本系统的软件设计采用模块化的方法，可分为以下几个部分： 教师机主控软件，学生机主控软件，单片机软件，键盘鼠标接口软件，串行口通信驱 动软件，网络通信驱动软件。它们之间的关系如图2 2 所示。 教师机软件主要完成与教师的交互，给教师提供一个简单、易学、方便的操作界 面，并把教师的操作转化成控制命令通过串口发给底层的控制软件，从而完成控制， 并将各学生机的状态反映到教师机的界面上。 教师机软件运行的操作系统环境为w i n d o w s9 x ，开发平台采用v i s u a lc + + 5 0 。 采用可视化编程，操作简单，界面友好。 学生机软件的开发使用环境与教师机相同，软件运行时在任务栏( t a s kb a r ) 上 用一小图标表示，不影响学生运行其它软件。学生可用热键来实现与教师的联系，如 电子举手、注册等。考试开始时，弹出题目和答题框，并向教师机发送答案。 串行口驱动软件位于教师机主控软件和硬件控制软件之间，实现上下层软件之间 的双向数据传递。 第8 页 垦堕垫兰丝查叁耋丝蜜生堕堂堡丝塞 网络接口软件负责网络通信部分，完成数据的网络传输。 学生机软件 i 教师机软件 i 工j千t 鼠标键盘接口软件 一0 串行口驱动软件 l 网络接口驱动软件 i $ 十单片机驱动软件 i j工 t c p i p硬件层 i 图2 2 软件结构示意图 单片机控制软件在下层硬件的单片机上运行，采用相应的汇编语言编写。包括教师 机音视频集线器控制软件，学生音视频控制器控制软件和教师控制台控制软件。硬件 控制软件负责所在部件的运行控制和部件之间的通信。 键盘鼠标接e l 软件在键盘鼠标控制的软件方案中，是控制软件获取键盘鼠标消息 的桥梁。 2 4 系统硬件总体结构 系统硬件结构如图2 - 3 所示。本系统采用总线式结构，总线包括四种总线：即音 频总线、视频总线、键盘鼠标切换总线、控制总线。 音频总线：完成对音频信号的采集传送，将教师机和学生机的音频信号通过专用的 线路连接起来。整个系统的所有学生机和教师机都挂在同一音频总线上，学生和老师 的耳机和话筒都与一个单刀双掷丌关相连，在控制信号的控制下，根据功能的不同， 可以选择连接本地或音频总线。 视频总线：实现对视频信号的实时、无失真的同步传输。在不同控制功能下，教师 机、学生机的视频信号都可选择来自本地视频适配器的信号或来自视频总线的信号。 控制总线：把教师机的控制命令传送到学生控制器和教师音视频集线器，二者根 据命令完成相应的操作。 鼠标键盘切换总线：教师机和学生机的鼠标键盘分别接到教师音视频集线器和学 生音视频控制器上，在进行键盘鼠标控制时，通过对键盘鼠标切换总线相应开关的打 开和关闭，选择鼠标键盘信息的来源，从而实现控制。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制总线 1 _ jljl r 视频总线 - 。 ljil r 音频总线 jljljk r 鼠标键盘切换总线 jlj jl ，r 局域网 1 ，： 、r 1r 1r 1，工，r 1r 1r 1 ，上 、，、，r 1 图2 , 3 系统结构示意图 局域网：局域网为以太网，教师机主控程序和学生机主控程序通过网络接口软件 传送数据。数据包括文件考试、学生电子举手和学生注册信息。 里堕墼兰丝查当兰些壅塞堕兰堡篁苎 第三章系统硬件设计 多媒体教学网的系统硬件设计分为视频子系统设计、音频子系统设计、通信子系 统的设计等，本章将分别对它们进行阐述。 3 1 视频子系统的设计 在人类认知世界的过程中，视觉信息起着十分重要的作用。 “百闻不如一见” 就生动直观地描述了视觉信息的特点。视觉信息具有直观性、确切性、高效性等特 点，在多媒体教学网络中具有不可替代的作用。多媒体教学网络系统研制的成功与 否，很大程度上将取决于视频子系统。 3 1 1 视频信息的显示原理 人眼所以能看到周围的事物，是因为人眼感受了这些景物上反射出来的光线，要想 显示景物图像，就必须将景物的明暗不同的亮度转变成电信号( 电流或电压) 。 模拟r g b 显示器中，用三条模拟彩色信号输入线，每条代表一种原色( 红、绿、 蓝) ，以信号线上电压的高低来表示屏幕上像素的颜色强度。从理论上讲，模拟r g b 显示器能够显示的颜色数量是无限的，但事实上受到显示适配器能力的限制。 模拟显示器接收彩色信号的电压范围为：0 o o v ( 黑色) 到0 7 0 v ( 白色) 。v g a 适配 器把这个电压范围分为6 3 个档次，每一档次的电压为 0 7 0 f 1 6 3 = 1 1 1uv 如果将来视频适配器将电压分为更多档次，所能显示的颜色就会更多。 在阴极射线管( c a t h o d e r a yt u b ec r t ) 显示器上，颜色是通过电子射束打在 c r t 屏幕背面的磷膜上，引起它发光而产生的。电子射束的扫描运动包括行( 水平) 扫 描和帧( 垂直) 扫描。电子射柬在屏幕上沿水平线从左到右扫描，在扫描的同时，电 子射束的强度根据信号的强弱不断改变的过程叫做“水平扫描过程”，而其迅速返回 左端的过程叫做“水平扫描逆过程”。同样，电子射束沿行逐渐向下方移动的过程叫 做“帧扫描过程”或“垂直扫描过程”。所有的水平行扫描完以后，电子射束位于屏 幕的右下角，迅速跳回屏幕左上角，开始新的一帧。这种从下面返回上面的运动叫 做“帧扫描逆过程”或“垂直扫描逆过程”。 不论是行扫描逆过程还是帧扫描逆过程期间，让电子射束扫过像素都会产生干 扰。为了消除逆程的痕迹，就要在显像管中加入能使电子束在逆程期间被截止的消 隐信号，这个过程分别称为“水平消隐”和“垂直消隐”。 在影像技术中，严格保证接收端和发送端扫描运动的相互同步是非常重要的。因 此在显示设备( 如电视、微型计算机的c r t 显示器) 都设有“同步器”的设备。它 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 专门产生几种同步信号，叫做“行( 水平) 同步信号”和“场( 垂直) 同步信号”。 这些脉冲信号和影像信号混合在一起发送到接收端去控制显像管中电子射束的扫描 运动，以便保证影像中各像素在显像管的荧光屏上e 确重现。显示卡通过向显示器 发送水平同步脉冲信号( h ) 和垂直同步脉冲信号( v ) ，控制水平回扫和垂直回扫的 周期。如图3 1 所示。 水平同步脉冲信号厂l _ | 1 几几几几几几 一螂椭几 几几。 图3 1 水平、垂直同步脉冲信号波形示意图 3 1 2 视频子系统的结构 视频子系统的视频处理模块要能将本地的视频信号送给其他微机，并能将远程的 信号切换到本机，这样就要有视频切换模块。同时为了防止信号在传输过程中的衰 减对信号质量产生影响，还要进行信号放大，因此要有信号放大电路。由上节所述 可知，c r t 的视频信号由三根r g b 信号线和两根行场同步线( h 、v ) 组成，即r ( 红) 、 g ( 绿) 、b ( 蓝) 、h ( 行同步线) 、v ( 场同步线) 、g r o u d ( 地线) 。其中r 、g 、b 三 线为模拟信号，h 、v 为数字信号，要采用不同的处理方法。 r 、g 、b 信号是模拟信号，在总线上传输一段距离之后必然会衰减，容易受到干 扰，因此在上视频总线之前，需要对它们进行放大，增加信噪比。r 、g 、b 模拟信号 处理的示意图如图3 2 所示。本地r 、g 、b 信号有两种流向，一路是送到本地c r t 显示器，一路是通过放大电路放大后，上视频总线。 视甄黻g r o u p l 气 视频总线g r o u p 8 图3 2r o b 信号处理 h 、v 信号为数字信号，通过驱动电路传送到r s - 4 8 5 总线上，其处理过程如图3 3 第1 2 页 里堕型兰丝查盔耋丝塞生堕堂堡篁塞 所示，包括h 、v 信号接收与发送模块和h 、v 信号交换模块。本地视频适配器所产 生的h 、v 同步信号通过h 、v 选择电路来驱动c r t ；通过h 、v 信号接收与发送模块 将信号送上h 、v 总线。远程适配器产生的h 、v 信号在h 、v 信号接收与发送模块接 收，再通过h 、v 选择电路来驱动c r t 。 h 、v 同步信号总线 图3 3h 、v 信号接收发送示意图 3 2 音频子系统的设计 音频子系统的功能主要包括音频切换和音频处理。音频切换模块主要是实现在系 统控制部件的控制下完成将教师话筒声音、线路的输入信号或录音机的信号传送到 耳机和各个音频总线，或者将某音频总线上的声音送到教师耳机和其他音频总线上。 音频处理部分实现各路音频输入信号的放大、调节、阻抗匹配等功能。 音频处理模块的结构图如3 4 所示： 控制信号 】l 节 音 总 音频总线 ! 轧h 目 频线 源 放电选 4 e i n 选 大路择 斗 择 电切 电 路 换 u x 路 ji 音量调节电路 l - - + i 声音输出电路i 图3 4 音频处理示意图 m i c ( 麦克风) 、l i n e i n ( 线入) 、a u x ( 辅助输入) 三路信号构成了音频系统的声 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 音源。对m i c 输入的声音要进行前置放大，一般来说，m i c 输入的是只有2 一l o m v 的 微弱信号，非常容易受到干扰，需要将它放大到系统内的线路电平水平，带宽限制在 2 0 h z 一1 5 k h z 之间。而l i n e i n 与a u x 的输入信号不需进行前置放大，这三路音源通过 节目源选择电路的选择和叠加，构成系统的音频信号，音频信号在通过音频放大电路 放大后分为两路，a 路和b 路。a 路经由总线选择电路上音频总线，经总线传送到学生 音视频控制器。b 路经音量调节电路后，进入声音输出电路。声音输出电路驱动耳机 和音箱发声。 3 3 通信子系统的设计 多媒体教学网系统由分散在教室内的教师计算机、教师音视频集线器、教师控制台、 学生音视频控制器、录音机等部件组成，这些部件除了自身具有一定处理和控制能力 外，还要相互之间密切配和，协调一致，才能实现系统功能。这就需要在系统各个相 关部件之间建立起一种合理有效的通信连接，实现必要的数据交换和命令传送。本系 统中，通信子系统主要用于在系统各个部件之间建立和撤消教师计算机、学生计算机、 教师控制台、教师音视频集线器、学生音视频控制器、录音机之间的通信连接，实现 部件之间命令和其他数据的传输。 3 3 1 通信方式 从通信方式上划分，通信基本上有两种通信类型：串行通信和并行通信。 串行通信：数据的各个比特按顺序传送： 并行通信：数据的各位同时传送。 并行通信的优点是次可传输多位数据，数据吞吐量大，通信速度快，由于数据传 输线与数据位相同，物理连线较多，此外还需要如读写握手控制、地线等，在长距离 传输的情况下，每根数据线都需要加传送驱动，显得很麻烦；串行线一次只能传送一 位，通信速度慢，数据吞吐量小，但所需通信线数较少，通常只需三根连线，显得方 便简洁，恰适用于传输速率不是很高的通信系统。 本系统各个部件位置比较分散，相互之间的通信连线较多，通信数据量不是很大。 因此，通信方式上采用串行通信方式。为了保证信号的可靠传输，部件之间采用r s 一4 8 5 总线进行通信。 3 3 2 组成及传输结构 通信子系统由教师计算机、教师音视频集线器单片机、学生音视频控制器单片机、 教师控制台单片机、通信接口电路及通信传输线组成。教师计算机和各部分单片机提 供串行发送、接收等信号，负责实现数据的接收与发送；接口电路负责信号转换，包 第1 4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 括r s 一2 3 2 t t l c m o s 转换和t t l c m o s r s 一4 8 5 转换；通信总线是通信数据传输的 媒体。 如图3 5 所示，教师控制台、音视频集线器、学生音视频控制器的单片机都通过 t t l c m o s 一3 r s 一4 8 5 转换电路挂在串行通信总线上，教师主控计算机串行1 ：3 线通过r s 一 2 3 2 t t l c m 0 s 转换电路接到音视频集线器上，再通过t t l c m o s r s 一4 8 5 转换电路 挂在串行通信传输线上。所有部件的都挂在同一总线上，在同一时刻只i l e h 一个部件 进行发送，而其他部件都应处在接收状态。尽管各组成部件相对比较分散，r s 一4 8 5 总 线能够保证信号的稳定传输。 r $ 4 8 5s e r i a ib u s 3 3 3 数据编码 图3 5 通信结构示意图 在般情况下，学生音视频控制器、音视频集线器都处于接收状态下，接收由教师 主控计算机或教师控制台发出的控制命令，并按命令做出相应的动作。教师主控计算 机和教师控制台发出的命令有广播、监看、示范、通话、键盘鼠标控制等。学生音视 频控制器发出的命令码仅有呼叫。 由上可知，在串行通信总线上传输的数据仅有控制命令码。各个部件接到命令后， 做出相应动作，完成系统功能。 命令以帧为单位，采用四个字节的固定长度进行编码，其格式如下： f 帧头( o x a a )f 命令码f 参数lf 参数2f 其中，帧头( o x a a ) 的二进制编码位l o l o l o l o ，采用这种高低电平交错的字节作 为帧头抗干扰码，基本上可以避免把受到干扰或遭到破坏的命令码当成命令的情况发 生。很大程度上提高了系统的可靠性；命令码是对系统各个基本功能命令的编号；参 数l 和参数2 用于对命令更详细的说明，或者为保证命令统一长度而发送的填充字节。 例如：命令“o x a a ，1 ，3 4 ，0 5 5 h ”的含义是教师监看第3 4 个学生，l ，为命令码， 第i 5 页 里堕型堂丝查叁兰丝! 墅生堕耋堡丝苎 3 4 为监看学生号，0 5 5 h 为填充字节，无意义。 3 4 通信约定 1 波特率和帧格式 串行通信采用9 6 0 0 b p s 的波特率，字节帧采用l o 位，即：l 位起始位，8 位数据 位，l 位停止位。 2 通信方式 在串行通信中，如果某机的通信接口只能发送或接收，这种单向传送的方法称单 工传送。而通常数据需在两机之问双向传送，这种方式称双工传送。在双工传送方式 中，如果接收和发送不能同时进行，只能分时接收和发送，这种传送称半双工传送； 若两机的发送和接收可以同时进行，则称为全双工传送。如图3 6 所示： 单工方式双工方式 图3 6 通信方式示意图 本系统中，教师主控计算机、音视频集线器、学生音视频控制器、教师控制台都 挂在统一的串行总线上，除音视频集线器外，其他部件都能主动发送命令，而每个部 件发出的命令其他部件都能收到。各个部件在同一时刻，只能有一个部件在发送，不 能同时发送。逻辑上不能同时收发，所以只能算是半双工方式。 由于教师主控计算机在系统中处于主导地位，必须保证教师主控计算机发出的控 制命令正确传输。而系统的各个部件都挂在总线上，且学生发出的呼叫命令具有一定 的随机性。学生发出的呼叫命令与教师机发出的控制命令可能在总线上发生碰撞，形 成坏码，导致系统功能不能正确完成。为了防止这一情况的发生，我们定义了两条命 令：学生允许发送命令和学生禁止发送命令。学生音视频控制器接到禁止发送命令后， 进入禁止发送状态，在禁止发送状态下不能发送呼叫命令。 教师主控计算机在发送其他控制命令之前，首先要发送学生禁止发送命令，确保 学生进入禁止发送状态。 对于学生禁止发送命令，同样存在碰撞问题。为了解决此问题，对音视频集线器 作了改进，它不再仅处在接受状态，而且针对禁止命令进行重发处理，教师主控计算 机接收到音视频集线器重发的命令，并对其进行校验。若命令的三个字节都正确，则进 行下一步操作。否则重发禁止发送命令。这样，就能保证教师主控计算机在发送其他 控制命令时，学生不会发出呼叫命令，进而避免了总线碰撞的发生。 在发送完控制命令后，教师主控计算机发送允许发送命令，学生音视频控制器接 到此命令，进入允许发送状态。学生在允许状态下可进行呼叫。 第1 6 页 垦堕型兰堡查奎耋塑窒尘堕堂丝篁奎 通过上述协议，可以避免系统功能控制命令被破坏，增加了系统的稳定性。 第1 7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第四章系统软件设计 4 1 系统软件的构成 系统由四部分独立的软件子系统组成，它们是：教师机主控系统、教室平面设计子 系统、考试子系统、和学生机控制子系统。另外还有三个接i ：2 1 软件：串行口接口软件， 网络接口软件和鼠标键盘接口软件。其中鼠标键盘接口软件将在第六章鼠标键盘控制 中专门介绍。 教师机主控系统实现整个系