基于單片機(jī)的漢語教學(xué)機(jī)的設(shè)計

周江

摘要： 針對目前語文教學(xué)設(shè)備落后的現(xiàn)狀，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，使用單片機(jī)、大容量NAND Flash存儲器和LED顯示屏等設(shè)計出適合小學(xué)低年級語文教學(xué)使用的漢語教學(xué)機(jī)。該機(jī)能進(jìn)行漢語拼音、普通話音節(jié)、詞組和課文的教學(xué)。大容量NAND Flash存儲器里存儲的內(nèi)容與教材一致，能有效地提高語文教學(xué)的效率和效果，特別是該機(jī)特有的漢字筆順的顯示功能，對學(xué)生漢字書寫的規(guī)范性有極大的幫助。

關(guān)鍵詞： 漢語教學(xué)機(jī)； 單片機(jī)； NAND Flash； LED； 漢字筆順

中圖分類號：TN912

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0111-04

0引言

在當(dāng)今的國內(nèi)國際環(huán)境下，漢語學(xué)習(xí)贏得廣泛關(guān)注，對漢語學(xué)習(xí)手段的現(xiàn)代化要求也日益迫切。而“漢語教學(xué)機(jī)”的研制開發(fā)正是順應(yīng)了這一廣闊鮮明的市場需要。

查閱中小學(xué)教學(xué)儀器的配備標(biāo)準(zhǔn)，理科課程的教學(xué)儀器明顯帶有更多新技術(shù)的痕跡，而語文教學(xué)基本上還都是采用掛圖的形式。與語文教學(xué)有關(guān)的只有“漢語拼音示教儀”，其功能也僅僅涉及聲母、韻母、整體認(rèn)讀（以下簡稱整認(rèn)）音節(jié)的發(fā)音，而并未提供視像顯示。另有研究指出，學(xué)生僅靠聽可以記住全部信息的15%，僅靠看可以記住25%，而視聽結(jié)合則可使學(xué)生記住全部信息的64%以上[1]。為此，視聽結(jié)合的漢語教學(xué)機(jī)即已成為該領(lǐng)域研究的發(fā)展方向。

[JP2]另外，由于計算機(jī)的普及，明顯擠占了國人書寫漢字的機(jī)會，這就造成了對漢字書寫在規(guī)范掌握上的難題。在一些與漢字書寫有關(guān)的電視節(jié)目中，雖然參與者均是學(xué)生中的佼佼者，但卻依然存在諸多不規(guī)范的情況，這與目前漢字書寫規(guī)范較為落后的教學(xué)手段有一定關(guān)系?！皾h語教學(xué)機(jī)”特有的漢字筆順顯示功能，則能對漢字的書寫發(fā)揮有效的教學(xué)規(guī)范作用。[JP]

1漢語教學(xué)機(jī)功能分析

“漢語教學(xué)機(jī)”主要有以下6個功能：

1）漢語拼音的23個聲母、24個韻母、16個整認(rèn)音節(jié)[2]的讀音和顯示。

2）普通話1 204個拼讀音節(jié)的讀音和顯示。

3）普通話拼讀音節(jié)所對應(yīng)的漢字（一、二級字庫，共6763個）[3]顯示。

4）一級字庫漢字（共3 755個）[3]的書寫筆順顯示。

5）詞組的朗讀和顯示。最初的設(shè)計是，詞組的聲音由構(gòu)成該詞組的每個漢字的聲音拼接而成，比如，詞組“中國”的發(fā)音，分別輸出“中”和“國”的聲音，兩者之間稍微有點延時就行了，但實際做出來后發(fā)現(xiàn)效果很差，沒有抑揚頓挫的感覺，不象正常人說的話，后改為使用完整的詞組的聲音。

6）課文（句子）的朗讀和顯示。因為顯示屏容量的原因，使得課文的朗讀和顯示實際上是由句子構(gòu)成的，這樣顯示屏的容量只要能滿足一個句子的顯示就可以了。

2系統(tǒng)硬件構(gòu)成

“漢語教學(xué)機(jī)”的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1顯示單元

采用紅色高亮LED，分辨率128*48，使用16*16的漢字點陣，每屏可顯示24個漢字。小學(xué)低年級語文課文的句子一般比較短，這能滿足使用者的需求。

2.2輸入單元

輸入單元可以是標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、紅外遙控器或自己設(shè)計的矩陣鍵盤?？傻藐U釋分析如下：

首先，使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤無疑是最省事的，輸入方式同電腦上的拼音輸入法類似，但與漢語拼音的教學(xué)不同步。比如，輸入chang，用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤需要輸入5個字母，但從拼音的角度看，chang是由聲母ch和韻母ang構(gòu)成的。雖然也可以有解決辦法，比如定義標(biāo)準(zhǔn)鍵盤上某個鍵為ch等，但這樣需要定義的太多（23個聲母、24個韻母、16個整認(rèn)音節(jié)，共有63個），并不直觀，而且與平常的習(xí)慣差別太大，使用者會覺得不方便而不愿意使用。

其次，采用紅外遙控器的最突出優(yōu)點，是教師無需鄰近教學(xué)機(jī)的旁邊才能操作，但缺點也很明顯，紅外遙控器比較小，在上面配有幾十個按鍵，在使用上將增加一定難度。

最后，用自己設(shè)計的專用矩陣鍵盤，完全按照聲母、韻母、整認(rèn)音節(jié)的排列方式設(shè)計，雖然按鍵數(shù)量同樣也多，但可以排列得較為直觀、方便。在“漢語教學(xué)機(jī)”中實際使用的是8*9的矩陣鍵盤。

有一部分的鍵是復(fù)用的。比如，韻母的前10個（a～ao）分別是數(shù)字0～9，用于在詞組或句子功能下輸入詞組或句子的編號，1聲聲調(diào)鍵也是回車鍵，用于對輸入編號的確認(rèn)。這樣，用4個聲調(diào)鍵可以分別實現(xiàn)重復(fù)、前一個句子（詞組）、后一個句子（詞組）、連續(xù)等功能。

2.3存儲單元

選用NAND FLASH芯片。

人的語音的頻率大致在300～3 400 Hz之間[4]，根據(jù)奈奎斯特定理，采用8 KHz的采樣頻率，也能做到無失真的回放，考慮到保留一定的泛音能夠使音色更好一些，應(yīng)該采用更高的采樣頻率，比如，電話的語音一般就是單聲道、8 bit、11.025 KHz的采樣[4]。由于連續(xù)的語音比單個的語音在音效上更容易聽得清楚，所以在漢語教學(xué)機(jī)中使用單聲道、8 bit、采樣頻率22.05 KHz就能做到無失真的回放。漢語平舌音的頻率高于翹舌音，根據(jù)經(jīng)驗，翹舌音采用11.025 KB/s的采樣頻率也能做到基本無失真的回放。如果選用8 Gb的NAND FLASH芯片（比如SAMSUNG的K9G8G08U0M[5]），即使全部使用22.05 KHz的采樣頻率，在不采用任何語音壓縮技術(shù)的情況下，也能存儲800 min左右的聲音信息，完全能滿足一般的需要。近幾年來，NAND FLASH的容量越來越大、價格越來越低，所以在這種不需要對語音信號進(jìn)行傳輸?shù)膽?yīng)用中，完全不需要采用語音壓縮技術(shù)了，可以直接使用WAV格式的語音數(shù)據(jù)。另外，存儲在NAND FLASH芯片中的信息，格式可以自行定義，可以輕松獲得較高的保密性。endprint

2.4控制單元

由單片機(jī)和外圍電路構(gòu)成，是本系統(tǒng)的核心。

單片機(jī)的選擇主要考慮系統(tǒng)對硬件資源的需求。LED點陣屏一般采用串行的驅(qū)動方式，所以單片機(jī)要有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）的功能；點陣屏的大小為128*48，需要的顯示緩沖區(qū)為768字節(jié)（128*48/8），這樣單片機(jī)內(nèi)部的RAM至少需要2 KB以上；輸入單元是8*9的矩陣鍵盤，需要17條I/O口線，存儲單元選用NAND FLASH，需要14條I/O口線（數(shù)據(jù)線8條，控制線6條），所以單片機(jī)至少要有4個以上的8位I/O口。由于需要輸出聲音信息，單片機(jī)內(nèi)部即需配備D/A轉(zhuǎn)換器。另外，因為NAND FLASH的工作電壓是2.7 ～ 3.6 V[6]，為使接口電路簡單方便，應(yīng)該選用低工作電壓的單片機(jī)。

根據(jù)以上分析，實際選用的芯片是TI的MSP430F1611。該芯片工作電壓1.8～3.6 V，配有48 KB的ROM和10 KB的RAM、2個SPI接口、6個8 bit I/O口、2個12 bit電壓輸出型的D/A（可設(shè)置為8 bit的分辨率）和2個16 bit的定時器等[7-8]，完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。

3電路框圖

語言教學(xué)機(jī)中所使用的電路比較常見，以下主要闡述MSP430F1611與K9G8G08的接口電路和128*48 LED屏的控制驅(qū)動電路。

3.1MSP430F1611與K9G8G08的接口電路

K9G8G08采用48腳的TSOP封裝形式，實際使用19個引腳。圖2即是MSP430F1611與K9G8G08的電路連接圖。其中，K9G8G08的19腳是寫保護(hù)，具體到本次設(shè)計中，只需要對K9G8G08進(jìn)行讀的操作，沒有擦除和寫的操作，為此在實際電路中是固定接地的（寫保護(hù)有效）。

3.2128*48 LED屏的控制驅(qū)動電路

128*48的LED屏實際并沒有接成128*48的矩陣，而是接成64*96的矩陣，因為前者對應(yīng)的連接需要176（128+48）條控制線，后者所需要的控制線是160（64+96）條，少16條控制線。其中的64條是掃描線，分接的是LED點陣的負(fù)端；96條是數(shù)據(jù)線，另接的是LED點陣的正端。64條負(fù)端的掃描線是由4片4-16譯碼器4514產(chǎn)生的，任何時刻有且只有1條為“1”（高電平），再經(jīng)過8片ULN2803作為驅(qū)動，連接到LED屏的64個負(fù)端。96條數(shù)據(jù)線是用12片級聯(lián)的74HC595產(chǎn)生的，該組器件將由單片機(jī)SPI口輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，送到LED屏的96個正端。圖3就是LED屏的控制驅(qū)動電路的框圖。

圖3中，MSP430F1611的P3.4、P3.5分別連接二進(jìn)制計數(shù)器的時鐘和復(fù)位信號；二進(jìn)制計數(shù)器是4024，電路中要用到其7位輸出中的6位，最高位不用，低4位連接到4片4514的輸入端，高2位經(jīng)過3-8譯碼器74HC138后輸出4條控制線，分別接到4片4514的INH（禁止端，23腳），這樣將可保證任何時刻只有1片4514有效；P3.1、P3.3、P3.6分別是12片級聯(lián)的74HC595的數(shù)據(jù)、時鐘和鎖存信號，其中數(shù)據(jù)信號只接第一片74HC595。

3.3電路的其它部分

8*9的矩陣鍵盤分別連接到P4、P5和P6.0，其中P4口是鍵盤的8條輸入線，P5和P6.0是9條掃描線。D/A使用DAC0，對應(yīng)的引腳是P6.6，語音信號從這里輸出。

4軟件設(shè)計

4.1聲音輸出程序設(shè)計

這部分程序設(shè)計中最關(guān)鍵的是對K9G8G08的操作。在本設(shè)計中，程序只需要對K9G8G08進(jìn)行讀的操作。從K9G8G08的器件手冊中，可以查到該操作的程序流程，此處將不再贅述。

[LL]

對K9G8G08讀的程序在定時器中斷時調(diào)用。對于22.05 KHz或11.025 KHz的WAV文件，定時器的中斷周期分別為45.35 us或90.7 us。對于單聲道、8 bit的WAV文件，對應(yīng)頻率可以在文件的第0x18、0x19字節(jié)得到，對于22.05 KHz和11.025 KHz的WAV文件，這2個字節(jié)的值分別是0x22、0x56和0x11、0x2B，聲音信息從第0x2C個字節(jié)開始[9]。

聲音輸出的程序流程如圖4所示。對聲音的WAV文件數(shù)據(jù)，預(yù)先加入了一些處理：數(shù)據(jù)中的0x00均被改為0x01，再將文件的最后一個字節(jié)改為0x00，這樣就可以用0x00作為聲音文件的結(jié)束標(biāo)志了，而數(shù)據(jù)中的0x00被改為0x01，對聲音幾乎沒有影響。

當(dāng)然完全可以不這樣做，使用對聲音數(shù)據(jù)計數(shù)的辦法也未嘗不可。因為WAV文件中是有聲音數(shù)據(jù)長度信息的，存儲在文件的第0x28 ～ 0x2B這4字節(jié)中，采用小端模式存儲，即第0x28個字節(jié)存儲的是聲音數(shù)據(jù)長度的最低位[9]。

4.2漢字筆順顯示的流程

要能在點陣屏上顯示出漢字的筆順，只需按照書寫的順序，逐個點亮筆畫中的點。以漢字“工”為例，其筆順的顯示過程如圖5所示。

從圖5中可以看出，第1次亮第1個點（左上的點），第2次亮第2個點（第1個點保留），第3次亮第3個點（前2個點保留）……。所以，筆順的顯示實際上是由一幀幀的畫面構(gòu)成的：第1幀顯示第1個點，第2幀顯示前2個點，……，第N幀顯示前N個點……，直到顯示完最后一個點。顯示的漢字有多少個點，其所對應(yīng)筆順顯示就由多少幀的畫面構(gòu)成。這樣，視覺呈現(xiàn)效果即如有一支無形的筆，在屏上“寫”出了漢字。

根據(jù)上面漢字筆順的顯示原理，可以設(shè)計漢字筆順字庫的格式，將需要顯示的點的坐標(biāo)，按照書寫的順序遞次排列即可。

比如，以右上角為坐標(biāo)原點（0，0），每個點的坐標(biāo)用一個字節(jié)表示：高半字節(jié)為橫坐標(biāo)、低半字節(jié)為縱坐標(biāo)（也可相反），如圖6所示。endprint