大学英语自主学习监控系统的电路设计与实现

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0 引言    教育部在大学英语教学改革总体思路中提出：改革现存教学模式，将教师、课本、粉笔、黑板与学生，老师讲、学生听的模式改为以计算机(网络)、教学软件、课堂综合运用的个性化、主动式学习模式。新的《大学英语课程教学要求(试行)》也规定：注重和强调以学生为主体，促进个性化学习和自主学习。为了适应新的教学模式，很多高校专门设立了自主学习中心或多媒体教学中心。但是在所进行的自主学习教学实践过程中却发现了一些问题，如学生不能持之以恒，或由于各种原因，最终半途而废；自主学习流于形式，学生在自主学习过程中玩游戏、上网或做其它事情；自主学习设备故障发生率高，包括学生主机、显示器、耳机等电脑外设以及桌、椅。分析其原因，大多数高校只是在观念改变和规章制度上进行监控，而相应的规章制度有不健全或落实不到位的情况，观念也有不能完全转变的情况，从而造成了自主学习过程和教师的教学过程缺乏有效监控的现象。因此，研究具有监控大学英语自主学习学习过程的设备对促进大学英语教学改革的顺利实施和有效监控有着十分重要的意义。1 自主学习监控系统的总体设计    对英语自主学习过程的监控主要是实现对各个自主学习教室的音、视频监控。本课题研究的监控系统最大可实现32个自主学习教室的监控，能够满足绝大多数高校现阶段的需求及未来较长时间的系统扩展。本系统的整体方案框图如图1所示。

    由图1可知，整个系统中的视频采集由摄像头来完成，音频采集由MIC来实现，并通过对数放大来实现音频信号的放大。由于本系统可以对32个教室进行音视频监控，考虑到采集卡的成本以及显示的有效性(太多教室同时显示不便于观察)，本系统采用同时监控4个教室的方案，32个教室进行分时监控，同时为了灵活监控，系统采用矩阵切换器实现对音视频的切换选择和监控。经选择后的音视频信号传送至音视频采集卡并在PC机上显示和播放，本系统选用的是天敏10MOONSMD2040采集卡。同时对音视频的选择由上位PC机(控制机)来控制，即发送控制指令。控制指令通过RS232协议传送至系统的主控制器，主控制器接收指令，解析指令并控制相应外设执行指令。系统中的外设主要是矩阵切换器和终端控制器。终端控制器主要接收主控制器对云台、光圈的控制指令以及执行控制指令和音频的采集和放大。
                          
                       
                          
                                2 电路的设计与实现2．1 主控制器电路与实现    图2 主控制器电路示意图

    因为主控制器与矩阵切换器安装在同一个机柜内，距离很近，所以可以直接通过单片机的I／O口进行控制。为增强驱动能力，在单片机的输出I／O口加一个反相器CD4069。2．2 矩阵切换器电路与实现    本系统设计的是容量为32路音视频的监控，为简化设计，及调试、安装、升级等的方便，32路音视频不在一块PCB板上处理，而是分成4块子板，每块子板处N8路音视频，实现8路音视频通道的8选1输出功能，即4块子板组成一个矩阵切换器，在同一时间实现32选4输出功能。每块子板的电路图如图3所示。

    在图3中，J1…J8为继电器线圈，用双刀双掷继电器J4078实现音视频的同时切换。J11、J12为跳线插座，该跳线为子板设置地址，当设置的子板地址与主控制器的子板选择地址(A0、A1、A2)相同时，该子板块的4099处于工作状态，这时，再通过主控制器的通道选择指令(cmd0、cmd1、cmd2)使J1…J8中任一继电器完成切换动作，实现某一路音视频的同时选通。2．3 终端控制器电路与实现    终端控制器主要实现两方面功能，一是根据主控制器的指令对一体化摄像头和云台进行控制，一是采集当前教室的语音信号并进行处理和上传。2．3．1 摄像头和云台控制电路与实现    如图4所示，通过MAX485接收RS485控制总线的控制指令并根据指令控制继电器组动作以实现云台电机的上、下，左、右旋转和光圈电机的变焦、拉远／近、明／暗调节。用芯片MC145027完成单片机指令的解码，单片机对终端控制器的选择发送的是地址指令，对终端控制器的控制发送的是数据指令。只有当单片机发送的地址指令与MC145027设置的地址相同时，MC145027才接收单片机的数据指令，即控制指令。从而实现对每个终端的可寻址单独控制。

2．3．2 语音信号采集与处理    因为要采集教室各个位置(一般在20～50m2范围内)的语音信号，使用普通的话筒放大电路显然达不到要求。本系统采用对数放大电路进行语音放大，比较清晰地采集到了50m2范围内各个位置的语音信号。设计的对数放大电路如图5所示。IC2为运算放大器，系统选用LM358实现二级运算放大。

3 总结    利用传感技术和电子技术实现了大学英语自主学习的有效实时监控，本系统设计思路简单、成本低廉、方便实用。对提高学生自主学习的自觉性，监控自主学习设备和软件平台运行情况，防止人为破坏造成的不必要损失，提高设备运行的稳定性和可靠性等起到了非常重要的作用。