大學英語自主學習監控系統的電路設計與實現

　0 引言

　　教育部在大學英語教學改革總體思路中提出：改革現存教學模式，將教師、課本、粉筆、黑板與學生，老師講、學生聽的模式改為以計算機(網絡)、教學軟件、課堂綜合運用的個性化、主動式學習模式。新的《大學英語課程教學要求(試行)》也規定：注重和強調以學生為主體，促進個性化學習和自主學習。為了適應新的教學模式，很多高校專門設立了自主學習中心或多媒體教學中心。但是在所進行的自主學習教學實踐過程中卻發現了一些問題，如學生不能持之以恒，或由于各種原因，最終半途而廢；自主學習流于形式，學生在自主學習過程中玩游戲、上網或做其它事情；自主學習設備故障發生率高，包括學生主機、顯示器、耳機等電腦外設以及桌、椅。分析其原因，大多數高校只是在觀念改變和規章制度上進行監控，而相應的規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變的情況，從而造成了自主學習過程和教師的教學過程缺乏有效監控的現象。因此，研究具有監控大學英語自主學習學習過程的設備對促進大學英語教學改革的順利實施和有效監控有著十分重要的意義。

　　1 自主學習監控系統的總體設計

　　對英語自主學習過程的監控主要是實現對各個自主學習教室的音、視頻監控。本課題研究的監控系統最大可實現32個自主學習教室的監控，能夠滿足絕大多數高校現階段的需求及未來較長時間的系統擴展。本系統的整體方案框圖如圖1所示。

整體方案框圖

　　由圖1可知，整個系統中的視頻采集由攝像頭來完成，音頻采集由MIC來實現，并通過對數放大來實現音頻信號的放大。由于本系統可以對32個教室進行音視頻監控，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)，本系統采用同時監控4個教室的方案，32個教室進行分時監控，同時為了靈活監控，系統采用矩陣切換器實現對音視頻的切換選擇和監控。經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，即發送控制指令。控制指令通過RS232協議傳送至系統的主控制器，主控制器接收指令，解析指令并控制相應外設執行指令。系統中的外設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行控制指令和音頻的采集和放大。

　　2 電路的設計與實現

　　2．1 主控制器電路與實現

圖2 主控制器電路示意圖

　　因為主控制器與矩陣切換器安裝在同一個機柜內，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

　　本系統設計的是容量為32路音視頻的監控，為簡化設計，及調試、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32選4輸出功能。每塊子板的電路圖如圖3所示。

子板的電路圖

　　在圖3中，J1…J8為繼電器線圈，用雙刀雙擲繼電器J4078實現音視頻的同時切換。J11、J12為跳線插座，該跳線為子板設置地址，當設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，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，實現某一路音視頻的同時選通。

　　2．3 終端控制器電路與實現

　　終端控制器主要實現兩方面功能，一是根據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

　　如圖4所示，通過MAX485接收RS485控制總線的控制指令并根據指令控制繼電器組動作以實現云臺電機的上、下，左、右旋轉和光圈電機的變焦、拉遠／近、明／暗調節。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送的是地址指令，對終端控制器的控制發送的是數據指令。只有當單片機發送的地址指令與MC145027設置的地址相同時，MC145027才接收單片機的數據指令，即控制指令。從而實現對每個終端的可尋址單獨控制。

攝像頭和云臺控制電路與實現