基于單片機的漢語教學機的設計

周江

摘要： 針對目前語文教學設備落后的現狀，利用現代電子技術，使用單片機、大容量NAND Flash存儲器和LED顯示屏等設計出適合小學低年級語文教學使用的漢語教學機。該機能進行漢語拼音、普通話音節、詞組和課文的教學。大容量NAND Flash存儲器里存儲的內容與教材一致，能有效地提高語文教學的效率和效果，特別是該機特有的漢字筆順的顯示功能，對學生漢字書寫的規范性有極大的幫助。

關鍵詞： 漢語教學機； 單片機； NAND Flash； LED； 漢字筆順

中圖分類號：TN912

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0111-04

0引言

在當今的國內國際環境下，漢語學習贏得廣泛關注，對漢語學習手段的現代化要求也日益迫切。而“漢語教學機”的研制開發正是順應了這一廣闊鮮明的市場需要。

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

[JP2]另外，由于計算機的普及，明顯擠占了國人書寫漢字的機會，這就造成了對漢字書寫在規范掌握上的難題。在一些與漢字書寫有關的電視節目中，雖然參與者均是學生中的佼佼者，但卻依然存在諸多不規范的情況，這與目前漢字書寫規范較為落后的教學手段有一定關系。“漢語教學機”特有的漢字筆順顯示功能，則能對漢字的書寫發揮有效的教學規范作用。[JP]

1漢語教學機功能分析

“漢語教學機”主要有以下6個功能：

1）漢語拼音的23個聲母、24個韻母、16個整認音節[2]的讀音和顯示。

2）普通話1 204個拼讀音節的讀音和顯示。

3）普通話拼讀音節所對應的漢字（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。最初的設計是，詞組的聲音由構成該詞組的每個漢字的聲音拼接而成，比如，詞組“中國”的發音，分別輸出“中”和“國”的聲音，兩者之間稍微有點延時就行了，但實際做出來后發現效果很差，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系統硬件構成

“漢語教學機”的系統框圖如圖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

輸入單元可以是標準鍵盤、紅外遙控器或自己設計的矩陣鍵盤。可得闡釋分析如下：

首先，使用標準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不同步。比如，輸入chang，用標準鍵盤需要輸入5個字母，但從拼音的角度看，chang是由聲母ch和韻母ang構成的。雖然也可以有解決辦法，比如定義標準鍵盤上某個鍵為ch等，但這樣需要定義的太多（23個聲母、24個韻母、16個整認音節，共有63個），并不直觀，而且與平常的習慣差別太大，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點，是教師無需鄰近教學機的旁邊才能操作，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，用自己設計的專用矩陣鍵盤，完全按照聲母、韻母、整認音節的排列方式設計，雖然按鍵數量同樣也多，但可以排列得較為直觀、方便。在“漢語教學機”中實際使用的是8*9的矩陣鍵盤。

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

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，所以在漢語教學機中使用單聲道、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，根據經驗，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行傳輸的應用中，完全不需要采用語音壓縮技術了，可以直接使用WAV格式的語音數據。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

由單片機和外圍電路構成，是本系統的核心。

單片機的選擇主要考慮系統對硬件資源的需求。LED點陣屏一般采用串行的驅動方式，所以單片機要有SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）的功能；點陣屏的大小為128*48，需要的顯示緩沖區為768字節（128*48/8），這樣單片機內部的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（數據線8條，控制線6條），所以單片機至少要有4個以上的8位I/O口。由于需要輸出聲音信息，單片機內部即需配備D/A轉換器。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，應該選用低工作電壓的單片機。

根據以上分析，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]，完全能夠滿足系統的需要。

3電路框圖

語言教學機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，具體到本次設計中，只需要對K9G8G08進行讀的操作，沒有擦除和寫的操作，為此在實際電路中是固定接地的（寫保護有效）。

3.2128*48 LED屏的控制驅動電路

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點陣的負端；96條是數據線，另接的是LED點陣的正端。64條負端的掃描線是由4片4-16譯碼器4514產生的，任何時刻有且只有1條為“1”（高電平），再經過8片ULN2803作為驅動，連接到LED屏的64個負端。96條數據線是用12片級聯的74HC595產生的，該組器件將由單片機SPI口輸出的串行數據轉換成并行數據，送到LED屏的96個正端。圖3就是LED屏的控制驅動電路的框圖。

圖3中，MSP430F1611的P3.4、P3.5分別連接二進制計數器的時鐘和復位信號；二進制計數器是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片級聯的74HC595的數據、時鐘和鎖存信號，其中數據信號只接第一片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，對應的引腳是P6.6，語音信號從這里輸出。

4軟件設計

4.1聲音輸出程序設計

這部分程序設計中最關鍵的是對K9G8G08的操作。在本設計中，程序只需要對K9G8G08進行讀的操作。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，對應頻率可以在文件的第0x18、0x19字節得到，對于22.05 KHz和11.025 KHz的WAV文件，這2個字節的值分別是0x22、0x56和0x11、0x2B，聲音信息從第0x2C個字節開始[9]。

聲音輸出的程序流程如圖4所示。對聲音的WAV文件數據，預先加入了一些處理：數據中的0x00均被改為0x01，再將文件的最后一個字節改為0x00，這樣就可以用0x00作為聲音文件的結束標志了，而數據中的0x00被改為0x01，對聲音幾乎沒有影響。

當然完全可以不這樣做，使用對聲音數據計數的辦法也未嘗不可。因為WAV文件中是有聲音數據長度信息的，存儲在文件的第0x28 ～ 0x2B這4字節中，采用小端模式存儲，即第0x28個字節存儲的是聲音數據長度的最低位[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，其所對應筆順顯示就由多少幀的畫面構成。這樣，視覺呈現效果即如有一支無形的筆，在屏上“寫”出了漢字。

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

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