CN213211403U - 数字电钢琴教学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于教学与应用电子技术领域，涉及一种数字电钢琴教学系统，数字电钢琴教学系统，主要采用数字化音频技术及FPGA大规模逻辑芯片技术，来实现模拟音频信号的数字化控制及传输。系统主要工作过程为：学生终端、老师终端对模拟信号的采集，将模拟信号转换成数字信号，经过网络传输至主控终端，主控终端根据数字电钢琴教学软件操作要求，对每个终端的音频数据进行处理，并将处理好的音频数据传输至学生终端、老师终端、电脑及其它系统。传统的电钢琴教学主要采用一对一教学，或小班授课的模式。采用数字电钢琴教学系统教学，可以让学校扩大招生规模，大大的减少了老师重复教学，减轻了工作强度。
Description
技术领域
本实用新型属于教学与应用电子技术领域，涉及一种数字电钢琴教学系统。
背景技术
目前，随着我国教育水平的不断提高，素质教育发展更加全面化，因此对教学的配套设备提出了更高的要求。传统的电钢琴教学，由于在教学或练习过程中同学之间的影响较大，电钢琴教学主要还是采用一对一授课或小班授课模式，无法实现大班授课。若为了排除干扰，修建独立的钢琴房，这样投入的成本过高，且增加了老师的教学强度，学校对于这方面的素质教育大面积推广比较困难。同时，在应用电子技术飞速发展的，大规模集成芯片技术的不断提升，给改变当前教学模式提供了新的方向，在这种背景情况下，将电子技术与电钢琴教学相结合，数字电钢琴教学系统应运而生，大大的改善了目前教学所存在的问题。
实用新型内容
针对目前在电钢琴教学中所存在的问题，我们实用新型数字电钢琴教学系统就是为了解决现在所存在的不足之处。
本实用新型的技术方案如下：
数字电钢琴教学系统，主要采用数字化音频技术及FPGA大规模逻辑芯片技术，来实现模拟音频信号的数字化控制及传输。系统主要工作过程为：学生终端、老师终端对模拟信号的采集，将模拟信号转换成数字信号，经过网络传输至主控终端，主控终端根据数字电钢琴教学软件操作要求，对每个终端的音频数据进行处理，并将处理好的音频数据传输至学生终端、老师终端、电脑及其它系统。此系统主要由四大部分组成：学生终端，老师终端，主控终端，数字电钢琴教学软件。
数字电钢琴教学系统，包括学生终端、老师终端、主控终端和数字电控制教学软件；
所述的学生终端涉及到的外设与主要组成：耳机、话筒、学生电钢琴、音量调节、呼叫、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输。
所述的话筒、学生电钢琴：主要是学生终端的音频输入源，话筒用于学生与老师或学生之间交流，学生电钢琴用于授课时练习使用。这两个输入源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的学生耳机：主要是用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：主要用于调节本地学生终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的呼叫：主要用于在教学过程中，或自由练习的情况下，学生向老师提出问题时，可以按下呼叫键，等待老师的选通，选通后，老师与学生即可以通过话筒、耳机组合进行正常交流；
所述的WM8978音频：主要用于将模拟音频信号输入混音(话筒+学生电钢琴)，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在学生终端中起到主导作用，相当于大脑的功能。FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的老师终端涉及到的外设与主要组成：耳机、话筒、教师电钢琴、音量调节、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输。
所述的话筒、教师电钢琴：主要是教师终端的音频输入源，话筒用于老师对全班授课或学生之间交流，这两个输入音源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的教师耳机：主要是用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：主要用于调节本地教师终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的WM8978音频：主要用于将模拟音频信号输入混音(话筒+教师电钢琴)，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在教师终端中起到主导作用，相当于大脑的功能。FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将老师终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的主控终端涉及到的外设及主要组成：线路输入、线路输出、功放输出、功放输出音量调节、音频数字处理、FPGA、以太网数据传输、USB接口。
所述的线路输入：主要用于在教学过程中，将外部音源引入至教学过程中，这样有助于学生的学习，实现丰富的教学互动，提高学习兴趣；
所述的线路输出、功放输出：主要用于将教学过程中的音频通线路输出或功放输出，给外部设备使用；
所述的功放输出音量调节：主要用于功放输出与外部设备相连接时，可以调节音量加减来控制输出给外部音频的幅度；
所述的音频数字处理：主要用于将模拟音频信号输入，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给学生终端、老师终端，同时根据上位机的命令将数字音频转换成模拟音频，通过线路输出和功放输出给外部设备；
所述的FPGA：在主控终端中FPGA选用了超大规模的逻辑控制处理芯片，它就相于整套系统的大脑，在不同的状态下协调各个功能模块完成特定的任务。FPGA根据上位机下发的命令，将通过数据传输接口接收学生终端、老师终端的数据。将接收到的数据解协出功能数据、音频数据。对功能数据码进行识别，做出对应的处理。对音频数据，根据当前状态进行混音处理后，将相应的数据重新打包，通过数据传输接口，发送到各至的端终设备；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的USB接口：主要用于与上位机进行命令交换及音频数据传输等功能；
所述的数字电控制教学软件主要功能组成：USB数据交换、全场指导、个人指导、分组练习、个人示范、分组示范、监听等；
所述的USB数据交换：主要用于上位机与主控终端进行命令交换及音频数据传输等功能；
所述的全场指导：主要用于老师对全班同学授课时使用，老师通过话筒讲课，老师能听见自己说话及教师琴声音，学生通过耳机听课，学生可以听见自己琴声、教师琴声及教师授课的声音；
所述的个人指导：主要用于学生在自由练习时，学生可以听见自己话筒、自己弹琴声音，但听不见其他同学与教师的声音；
所述的分组练习：主要用于教师指定某些同学组成一个小组，老师可以与组内成员相互交流，进行小班授课。小组内成员不但可以听见自已话筒与自己钢琴声音，还能听见本组其他同学与老师的声音。在组内的学生与老师听不到其他同学钢琴声音，在小组外的同学听不见小组内的声音，仅能听见自己话筒与自己钢琴的声音；
所述的个人示范：主要用于老师指定某位学生为全班同学进行示范演奏，老师与指定的学生可以相互交流，但听不见其他学生的声音，其他学生可以听见老师与指定学生的声音；
所述的分组示范：主要用于老师指定某些学生为全班同学进行示范演奏，老师与示范组内的学生可以相互交流，但听不见示范小组其他学生的声音，其他学生可以听见老师与示范小组内的声音；
所述的监听：主要用于学生在自由练习时，老师可以按照默认的顺序或根据自己的需求进行监听，老师可以听见被监听学生弹琴的声音，但学生不能听见老师的声音。
本实用新型的有益效果：
采用数字电钢琴教学系统可以有效的解决目前所存在的问题或不足之处：
1)传统的电钢琴教学主要采用一对一教学，或小班授课的模式。采用数字电钢琴教学系统教学，可以让学校扩大招生规模，让更多的学生走进钢琴课堂，这不仅减轻了教学投入成本，同时大大的减少了老师重复教学，减轻了工作强度；
2)传统的电钢琴教学在授课过程中，学生、老师都在同一环境中，在各自弹凑练习时，声音相互干扰，采用数字电钢琴教学系统，学生、老师说话与琴声都转换成数字化传输，各自终端采用耳机收听，这样有效的避免了相互之间的声音干扰，同时教室里也不会对外部产生声音污染；
3)传统的电钢琴教学方式比较单一，采用数字电钢琴教学系统，真正实现电钢教学信息化，突破了传统教学方式。运用数字化软硬件设备更先进更高效。
4)与传统的电钢琴教学方式相比较，采用数字电钢琴教学系统，实现了教、学互动的教学模式、简单的操作便能够丰富教学内容，提高学习兴趣和学习效率；
5)与传统的模拟教学系统相比，数字电钢琴教学系统中采用48KHz的采样频率，将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过双绞线传输至各个终端，这有效的解决了模拟信号在传输过程中受干扰的问题，同时设备终端将数字信号转换成模拟信号，品质达至CD音质；
6)与传统的模拟教学系统相比，数字电钢琴教学系统采用的是数字化信号，方便了数据的处理与存储，可以将单个学生或小组形式的演凑录制下来，后可以回放的形式供大家一起参考学习；
7)与传统的模拟教学系统相比，数字电钢琴教学系统采用灵活的界面排列，可以根据现场的实际情况进行增加、删除。同时完全可能根据老师的需求排布学生座位；
8)、与传统的模拟教学系统相比，数字电钢琴教学系统可以与IPad、投影仪、摄像头、功放、调音系统等相关设备配套使用，可以达到更好的效果。
附图说明
图1为数字电钢琴教学系统主要组成框图。
图中：1教师终端实现教师处的音频及其相关处理；
2学生终端实现学生处的音频及其相关处理；
3主控终端用于整个系统的控制、音频数据处理及相关任务协调；
4教师琴、话筒用于教师终端的音频输入；
5教师耳机用于收听系统中的声音；
6学生琴、学生话筒为学生终端的音频输入；
7学生耳机用于收听系统中的声音；
8线路输入用于将外部音源引入本系统中，丰富教学内容；
9电脑是人机交互的界面，用于操作、协调、管理整个系统；
10功放输出用于将本系统中的声音通过功放对外播放；
11线路输出用于将本系统中的信号传输至别的系统中去，实现系统之间互通。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。以下实施例仅用于更加清楚的说明本实用新型的技术方案，而不能能限制本实用新型的保护范围。
数字电钢琴教学系统，主要采用数字化音频技术及FPGA大规模逻辑芯片技术，来实现模拟音频信号的数字化控制及传输。系统主要工作过程为：学生终端、老师终端对模拟信号的采集，将模拟信号转换成数字信号，经过网络传输至主控终端，主控终端根据数字电钢琴教学软件操作要求，对每个终端的音频数据进行处理，并将处理好的音频数据传输至学生终端、老师终端、电脑及其它系统。此系统主要由四大部分组成：学生终端，老师终端，主控终端，数字电钢琴教学软件。
数字电钢琴教学系统，包括学生终端、老师终端、主控终端和数字电控制教学软件；
所述的学生终端涉及到的外设与主要组成：耳机、话筒、学生电钢琴、音量调节、呼叫、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输。
所述的话筒、学生电钢琴：主要是学生终端的音频输入源，话筒用于学生与老师或学生之间交流，学生电钢琴用于授课时练习使用。这两个输入源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的耳机：主要是用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：主要用于调节本地学生终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的呼叫：主要用于在教学过程中，或自由练习的情况下，学生向老师提出问题时，可以按下呼叫键，等待老师的选通，选通后，老师与学生即可以通过话筒、耳机组合进行正常交流；
所述的WM8978音频：主要用于将模拟音频信号输入混音(话筒+学生电钢琴)，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在学生终端中起到主导作用，相当于大脑的功能。FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的老师终端涉及到的外设与主要组成：耳机、话筒、教师电钢琴、音量调节、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输。
所述的话筒、教师电钢琴：主要是教师终端的音频输入源，话筒用于老师对全班授课或学生之间交流，这两个输入音源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的耳机：主要是用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：主要用于调节本地教师终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的WM8978音频：主要用于将模拟音频信号输入混音(话筒+教师电钢琴)，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在教师终端中起到主导作用，相当于大脑的功能。FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的主控终端涉及到的外设及主要组成：线路输入、线路输出、功放输出、功放输出音量调节、音频数字处理、FPGA、以太网数据传输、USB接口。
所述的线路输入：主要用于在教学过程中，将外部音源参与至教学过程中，这样有助于学生的学习，实现丰富的教学互动，提高学习兴趣；
所述的线路输出、功放输出：主要用于将教学过程中的音频通线路输出或功放输出，给外部设备使用；
所述的功放输出音量调节：主要用于功放输出与外部设备相连接时，可以调节音量加减来控制输出给外部音频的幅度；
所述的音频数字处理：主要用于将模拟音频信号输入，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给学生终端、老师终端，同时根据上位机的命令将数字音频转换成模拟音频，通过线路输出和功放输出给外部设备；
所述的FPGA：在主控终端中FPGA选用了超大规模的逻辑控制处理芯片，它就相于整套系统的大脑，在不同的状态下协调各个功能模块完成特定的任务。FPGA根据上位机下发的命令，将通过数据传输接口接收学生终端、老师终端的数据。将接收到的数据解协出功能数据、音频数据。对功能数据码进行识别，做出对应的处理。对音频数据，根据当前状态进行混音处理后，将相应的数据重新打包，通过数据传输接口，发送到各至的端终设备；
所述的以太网数据传输：主要由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的USB接口：主要用于与上位机进行命令交换及音频数据传输等功能；
所述的数字电控制教学软件主要功能组成：USB数据交换、全场指导、个人指导、分组练习、个人示范、分组示范、监听等；
所述的USB数据交换：主要用于上位机与主控终端进行命令交换及音频数据传输等功能；
所述的全场指导：主要用于老师对全班同学授课时使用，老师通过话筒讲课，老师能听见自己说话及教师琴声音，学生通过耳机听课，学生可以听见自己琴声、教师琴声及教师授课的声音；
所述的个人指导：主要用于学生在自由练习时，学生可以听见自己话筒、自己弹琴声音，但听不见其他同学与教师的声音；
所述的分组练习：主要用于教师指定某些同学组成一个小组，老师可以与组内成员相互交流，进行小班授课。小组内成员不但可以听见自已话筒与自己钢琴声音，还能听见本组其他同学与老师的声音。在组内的学生与老师听不到其他同学钢琴声音，在小组外的同学听不见小组内的声音，仅能听见自己话筒与自己钢琴的声音；
所述的个人示范：主要用于老师指定某位学生为全班同学进行示范演奏，老师与指定的学生可以相互交流，但听不见其他学生的声音，其他学生可以听见老师与指定学生的声音；
所述的分组示范：主要用于老师指定某些学生为全班同学进行示范演奏，老师与示范组内的学生可以相互交流，但听不见示范小组其他学生的声音，其他学生可以听见老师与示范小组内的声音；
所述的监听：主要用于学生在自由练习时，老师可以按照默认的顺序或根据自己的需求进行监听，老师可以听见被监听学生弹琴的声音，但学生不能听见老师的声音。
Claims (1)
1.数字电钢琴教学系统，其特征在于，包括学生终端、老师终端、主控终端和数字电控制教学软件；
所述的学生终端涉及到的外设与组成：学生耳机、话筒、学生电钢琴、音量调节、呼叫、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输；
所述的话筒、学生电钢琴：是学生终端的音频输入源，话筒用于学生与老师或学生之间交流，学生电钢琴用于授课学习及练习使用；这两个输入源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的学生耳机：用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：用于调节本地学生终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的呼叫：用于在教学过程中，或自由练习的情况下，学生向老师提出问题时，可以按下呼叫键，等待老师的选通，选通后，老师与学生即可以通过话筒、耳机组合进行正常交流；
所述的WM8978音频：用于将模拟音频信号输入混音，包括话筒和学生电钢琴，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在学生终端中起到主导作用，相当于大脑的功能；FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的老师终端涉及到的外设与组成：教师耳机、话筒、教师电钢琴、音量调节、WM8978音频、FPGA、以太网数据传输；
所述的话筒、教师电钢琴：是教师终端的音频输入源，话筒用于老师对全班授课或与学生之间交流，这两个输入音源经过音频数字处理，将两路信号混音，后经过数字传输部分，将数字信号传输至主控终端；
所述的教师耳机：用于聆听本地电钢琴及外部音源的声音；
所述的音量调节：用于调节本地教师终端的音量调节，可以根据自己的需求调节音量的加、减，达到一个比较舒适环境；
所述的WM8978音频：用于将模拟音频信号输入混音，包括话筒和教师电钢琴，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给主控终端，同时将接收到的数字音频数据转化为模拟信号，通过耳机来收听；
所述的FPGA：在教师终端中起到主导作用，相当于大脑的功能；FPGA用于处理输入、输出音频的；音频数据的发送与接收；按键的识别与处理及与主控终端之通讯命令处理；
所述的以太网数据传输：由以太网通讯接口，通过双绞线将教师终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的主控终端涉及到的外设及组成：线路输入、线路输出、功放输出、功放输出音量调节、音频数字处理、FPGA、以太网数据传输、USB接口；
所述的线路输入：用于在教学过程中，将外部音源引入至教学过程中，这样有助于学生的学习，实现丰富的教学互动，提高学习兴趣；
所述的线路输出、功放输出：用于将教学过程中的音频通线路输出或功放输出，给外部设备使用；
所述的功放输出音量调节：用于功放输出与外部设备相连接时，可以调节音量加减来控制输出给外部音频的幅度；
所述的音频数字处理：用于将模拟音频信号输入，将模拟信号数字化后通过数字传输，将数字音频数据传输给学生终端、老师终端，同时根据上位机的命令将数字音频转换成模拟音频，通过线路输出和功放输出给外部设备；
所述的FPGA：在主控终端中FPGA选用了超大规模的逻辑控制处理芯片，对功能数据码进行识别，做出对应的处理；对音频数据，根据当前状态进行混音处理后，将相应的数据重新打包，通过数据传输接口，发送到各至的端终设备；
所述的以太网数据传输：由以太网通讯接口，通过双绞线将学生终端与主控终端之间的音频数据、命令数据交换搭建的一个传输桥梁；
所述的USB接口：用于与上位机进行命令交换及音频数据传输功能；
所述的数字电控制教学软件功能组成：USB数据交换、全场指导、个人指导、分组练习、个人示范、分组示范、监听。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113676461A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-11-19 | 北京金三惠科技有限公司 | 一种电钢琴教室管理方法和系统 |
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2020
- 2020-08-05 CN CN202021599056.0U patent/CN213211403U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113676461A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-11-19 | 北京金三惠科技有限公司 | 一种电钢琴教室管理方法和系统 |
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