KR100347112B1 - 어학시스템에 있어서의 신호전달 및 성적처리기법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어학시스템에 있어서의 카세트, VTR, CD플레이어 등의 외부 입력음을 학생 자리마다 놓여지는 보조 증폭기로 송출하는 그 방법 및 성적 처리방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 카세트, CD플레이어, VTR 등의 외부에서 입력되는 여러개의 원음과 교사의 원음을 PWM ( pulse width modulation)방식으로 변조하는 단계와, 변조된 두 개의 신호를 전원전압(Vc)의 절반이되는 점(Vc/2)을 기준점으로 그 위에 적어도 하나의 신호를 배치하고 상기 기준점 아래에 적어도 한 개의 신호를 배치하여 복합신호로 만드는 방법, 상기 복합신호를 학생 자리의 보조 증폭기로 송출하고 송출된 복합신호를 비교기를 통하여 분리해 검출해내는 단계와, 전체 시스템의 통신처리를 프레임 개념을 도입해서처리하는 단계와, 마이크로 프로쎄서를 이용해 정답, 오답, 시험점수, 등수, 문제의 난이도 등의 성적처리를하고 마이크로 프린터로 프린트 할 수 있는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

따라서, 본 발명은 어학 시스템에 있어서 상당한 가격 경쟁력을 높일 수 있어 외국어 교육 환경개선에 일조를 할 것이다.

Description

어학시스템에 있어서의 신호전달 및 성적처리기법{.}

본 발명은 어학시스템의 신호 송출방법 및 마이크로 프로쎄서를 이용한 성적처리방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로 어학시스템은 교사의 자리에 놓이게되는 주 조정장치 와 학생마다 1개씩 놓이게 되는 보조 증폭기 그리고, 이 둘을 연결하는 CABLE 로 이루어진다.

종래의 어학시스템은 도 1에 나타낸 바와 같이 외부기기 입력부(1)와 주 조정기부(2) 케이블 배선부(3) 보조 증폭기부(4)로 구성되며 주 조정기부에서 상기 외부입력 원음 및 학생들 간의 통신을 제어한다.

주 조정기부의 마이크로프로쎄서를 대신해 컴퓨터로 구성한 시스템에서 컴퓨터를 사용한 주 목적은 성적처리 즉, 번호별 점수, 성적순 점수, 각 문제별 정답률, 출석 인원수 를 프린트하기 위한 것이다.

그런데, 상기의 두가지 기존 시스템은 원음 전달이 아나로그방식 이므로 환경의 노이즈에 약하고 학생 수많큼 실드 케이블이 직렬로 배선돼어야 하므로 학생 수 에 비례해서 배선의 어려움이 있다.

예를들어 60석의 어학실을 설치할 경우 주 조정장치부와 각 학생자리의 보조 증폭기와는 9-12가닥의 선이 필요한데 전체로 보아서는 540-720가닥의 선이 필요하다.

따라서 기존 시스템의 원음 전달방식은 상기와 같은 시설의 복잡함으로 인해 시설비는 물론 사후관리비의 상승요인이 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여;

카세트, CD플레이어, VTR 등의 외부에서 입력되는 여러개의 원음과 교사의 목소리를 펄스방식으로 변조하여 실드선이 아닌 한 개의 보통선을 이용 학생자리의 보조 증폭장치로 송출하고, 모든 보조 증폭기가 병렬로 연결되어 통신을 수행할 수 있게 하고, 컴퓨터를 사용하지않고 마이크로 프로쎄서를 이용해 학생관리에 필요한 성적처리를 함으로서 시설비용은 물론 사후관리비를 절감하는 데 목적을 두었다.

도 1은 종래의 어학시스템의 전체구성도

도 2는 본 발명에 따른 어학시스템의 전체구성도

도 3은 도2의 주 조정기부의 구성도

도 4는 PWM 구동회로

도 5은 PWM 출력 파형 형성과정

도 6은 PWM 복합신호 파형

도 7은 기준점 설정도 8은 한 FRAME의 구성도 9는 FUNCTION 부와 보조증폭기 부의 구성도 10은 주 조정기의 통신신호 처리회로도 11은 보조 증폭기의 통신신호 처리회로

상기 목적은,

본 발명에 따라, 카세트, CD플레이어, VTR 등의 외부에서 입력되는 여러 개의 원음과 교사의 원음을 PWM ( pulse width modulation)방식으로 변조하는 단계와, 변조된 두 개의 신호를 전원전압(Vc)의 절반이 되는 점(Vc/2)을 기준 점으로 그 위에 적어도 하나의 신호를 배치하고 상기 기준점 아래에 적어도 한 개의 신호를 배치하여 복합신호로 만드는 방법, 상기 복합신호를 학생 자리의 보조 증폭기로 송출하고 송출된 복합신호를 비교기를 통하여 분리해 검출해내는 단계와, 마이크로 프로쎄서를 이용해 정답, 오답, 시험점수, 등수, 문제의 난이도 등의 성적처리를 하고 마이크로 프린터로 프린트 할 수 있는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 제어방법에 의해 이루어진다.

여기서, 상기 성적처리는 시험을 볼 때 학생자리에 있는 보조 증폭기의 표시부(쎄그먼트)에 정답, 오답, 점수, 등수 등이 표시되는 표시부를 포함하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 어학시스템의 블록 구성도를 나타낸 것으로서 기본적 구성은 도 1의 기존 시스템과 같으나 배선 부분이 하나의선으로 병렬 연결된다는 것이 특징이다.

도 3은 도 2의 주 조정기부를 위주로 나타낸 구성도 이다. 마이크로프로세서(9) 가 성적처리 및 시스템의 제어상태를 나타내어주는 표시부, 시스템 동작에명령을 입력하기 위한 기능키부, 상기 외부기기 입력부, 를 제어하고 통신 신호처리부(10), 및 송출신호 변조부(12) 및 복합부(13)를 제어하는 것으로 구성되어있다.

여기서, 입력(IN) 에서 입력된 신호와 교사의 마이크 음원중 적어도 두 개의 원음이 PWM변조부(12) 를 거쳐 두 개의 PWM신호로 변조되고 PWM신호복합부(13) 를 거쳐 하나의 PWM신호로 복합된 다음 케이블(18) 을 거쳐 (14) ∼(17)등 학생자리의 보조 증폭기에 전송된다.

또한, 주 조정장치의 마이크로프로세서(9) 는 통신신호 처리부(10)를 통하여 각 학생들의 시험성적과 시험문제를 맞춘 상황, 출석상황데이터를 내부에 읽어들인 다음 소형의 프린터를 제어하며, 학생자리의 보조 증폭기부 표시창으로 보내어 학생도 본인의 데이터를 숫자로 볼 수 있다.

상기 원음의 복합단계를 도 4와 도 5를 연계하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 PWM 복합신호 구성 및 구동회로이고, 도 5에 a, b, c 순으로 파형 형성 과정을 나타내었다.

도 4의 TL494의 출력 펄스를 CD4013을 거쳐 한번 분주하여 도 5의(c)와 (d)같은 파형을 얻는다. 이 파형은 도 4의 비교기 C1과 C3의 오픈 콜렉터 출력에 이용된다. C1과 C3은 각각 교사의 마이크 신호와 음원1의 신호를 톱니파와 비교하여 도 5의 (e)와 (f)의 PWM 변조신호를 만드는데 이 신호는 다시 도 4의 C2와 C4를 거쳐 도 5의 (g)와 (h)와 같은 파형을 얻는다.

(h)파형은 교사의 마이크 신호이기 때문에 전체학생에게 전달되어야 하므로T3을 거쳐 전류구동능력을 키운 다음 다이오드 D1을 거쳐 비교기 C4의 출력에서 그림 (i)와 같은 파형으로 합성된다. 복합된 파형은 T4, T5로 구성된 증폭기를 거친 다음 G1로 출력된다.

도 4의 R5, R6, C는 복합 파형에서 PWM의 진폭을 크게 하기 위하여 사용한 것이다. 이 부분의 회로가 없을 때 비교기 C2의 OPEN 콜렉터에 공급되는 전압은 15V인데 실제 출력펄스의 진폭은 12V 정도이기에 T3의 출력전압은 이보다 더 작아지게 된다.

따라서, 콘덴서 C를 이용하여 R6의 전압을 20V이상으로 높여 T3의 출력전압을 거의 15V에 가깝게 한다. 이 부분의 회로가 없을 때 PWM의 진폭은 도 5의 (j)와 같은데 (i)와 비교하여볼 때 펄스의 진폭이 작아짐을 알 수 있다. 그 차이는 약 2.8V이다.

즉, 전원전압이 일정할 때 위의 회로의 추가로 약 2.8V의 전압 상승효과를 얻게되는 것이다. PWM복합신호의 펄스 진폭이 커야 TP에서 정확하게 신호를 분리하여 낼 수 있다.

도 6은 케이블(16) 에서 전송되는 PWM복조신호 파형이다.

보조 증폭기의 전원전압의 절반이 되는 점(Vc/2, Vc는 보조 증폭기의 전원전압)을 기준점으로 그 윗측에는 PWM1(19)신호를 배치하고 아래측에는 PWM2(20)신호를 배치였다.

여기서, 각 보조 증폭기에서 이 복합신호를 검출할 때 적어도 두 개의 비교기를 사용하는데 Vc/2보다 큰 전압(도 6에서 3Vc/4)과 복합신호를 비교하여 PWM1(9)신호를 검출하여 내고 Vc/2보다 작은 전압(도 6에서 Vc/4)과 복합신호를 비교하여 PWM2(20)신호를 검출하여낸다.

그리고, Vc/2를 기준점으로 잡는 이유는 다음과 같은데 그 원리를 도7에서 보여준다.

도 6과 같은 파형을 분리하여 내려면 주 조정기와 보조 증폭기는 똑같은 기준점이 있어야하는데 만일 도 7의 GND나 Vc를 기준점으로 잡으면 선로상의 전압강하로 인하여 각 보조 증폭기의 기준점은 변하게 된다.

따라서, 도 7에서 R1, R1-1, R2, R2-1, R3, R3-1은 선로등가 저항이고 R는 기준점을 얻기 위한 저항이다. 각 보조 증폭기로 연결되는 전원선은 같은 굵기의 선을 사용하므로 Vc선로의 저항과 GND선로의 저항은 거의 같다.

즉, R1=R1-1, R2=R2-1, R3=R3-1 인데 이 경우 주 조정기의 V0와 보조 증폭기1의 V1, 보조 증폭기2의 V2는 선로의 길이와 관계없이 같게된다.

따라서, 선로의 길이와 관계없이 선명한 외부원음을 학생들에게 전달할 수 있다.

여기서 상기내용을 수학적으로 나타내면;

이때, 실드를 사용하지 않은 까닭으로 노이즈에 노출되기 쉬운데 RC회로로 적절한 노이즈 저감대책을 사용하였다.

또한, 보조 증폭기를 병렬로 연결하기 위해, 시스템에서 사용되는 통신 신호는 한 개의 선을 이용하여 여러 가지 데이터를 양방향으로 주고받는 통신을 진행하여야 하므로 정확하게 통신을 하고 충돌을 방지하기 위하여 프레임(frame)의 개념을 도입하였는데 그 원리를 도 8에 나타내었다.즉, 한 개의 프레임을 학생자리의 보조 증폭기 수만큼 나누었고 그 외에 특수한 한 개의 FUNCTION부분을 추가하였다. 각 부분은 약 12ms 시간을 할당하였는데 그 원인은 12개의 LED를 디스플레이하려면 12ms가 필요한데, 이 시간을 이용하여 통신을 진행하기 때문이다.FUNCTION부에서는 주 조정기에서 보조증폭기로 보내는 명령 데이터를 7bit로 전송하고 보조증폭기부에서는 명령의 내용(예를 들면 보조증폭기의 번호)을 7bit로 주 조정기에 전송한다. 한 프레임이 끝나면 다시 위와 같은 프레임을 반복하여 출력한다. 이러한 방식으로 주 조정기와 모든 보조증폭기는 동기식으로 작동하기에 양방향 통신을 진행할 때 충돌이 발생하지 않는다. 각 부분의 자세한 구성을 도 9에 나타내었다.각 부분은 12ms의 시간 단위로 구성되었는데 각 부분에서 12개의 LED는 약 1ms의 시간간격으로 디스플레이 되기 때문에 이 시간간격을 기준으로 데이터를 전송한다. 각 부분은 1번째 LED디스플레이 위치에 시작점 펄스를 설치하였고, 2번째 LED디스플레이 위치에는 각 보조증폭기의 CALL(교사를 호출할 때 쓰는 기능) 상태를 확인할 수 있는 펄스를 설치 할 수 있게 하였다.각각의 프레임은 FUNCTION부의 1번째 LED위치에 0.5ms의 스타트 펄스를 가지고 있고, 각 보조증폭기부는 1번째 LED위치에 1ms의 데이터 스타트 펄스가 있다. 주 조정기가 보조증폭기로 데이터를 전송할 때는 D0-D6비트를 이용하고, 보조증폭기가 주 조정기로 데이터를 전송 할 때는 T0-T6비트를 이용한다. 그리고 보조증폭기에서 D0-D6비트의 데이터를 검출 할 때는 P1-P7위치에서 검출하고 주 조정기에서 T0-T7비트의 데이터를 검출할 때는 M1-M7위치에서 검출한다.주 조정기는 FUNCTION부의 D0-D6비트를 이용하여 명령어를 전송하고 명령의 내용은 각 보조 증폭기파트의 D0-D6비트에 나누어 보낸다. 보조 증폭기에서는 0.5ms의 펄스를 검출한 다음 약 1.5ms의 딜레이를 거쳐 P1-P7위치에서 펄스의 상태를 측정하여 데이터를 받아들인다. 나머지 약 3ms의 시간을 이용하여 디스플레이 하는 등 다른 일들을 처리한 다음 1ms의 펄스를 검출하고 다시 명령의 내용을 수신한다.각 보조 증폭기는 주 조정기의 명령내용에 따라 성적처리를 할 경우 학생이 얻는 점수를 주 조정기로 전송하는데 그림 도 9의 (b)와 같이 T0-T6비트를 이용한다. 즉 1ms의 펄스를 검출한 다음 1.5ms의 딜레이를 거쳐 한 비트를 1ms 씩 전송한다. 나머지 약 3ms의 시간을 이용하여 다른 일들을 처리한다. 주 조정기는 FUNCTION부에서 보조 증폭기에 데이터 전송명령을 내린 후 M1-M6의 위치에서 펄스의 상태를 검사하여 데이터를 받아들인다.학생이 교사를 호출하는 경우는 각 보조 증폭기는 하나의 프로그램카운터를 설치하여 0.5ms시작 펄스를 검출한 후 1ms의 펄스가 검출될 때마다 제일 끝번의 보조증폭기부터 하나씩 감소한다. 때문에 78번째 학생이 교사를 호출하면 자체내의 프로그램카운터가 78일 때 곧이어 약 0.8ms의 LOW펄스를 보낸다. 주 조정기도 보조증폭기와 마찬가지로 내부에 프로그램 카운터가 있고 매개의 보조 증폭기부의 TEST bit에서 펄스 상태를 검사하기 때문에 어느 보조 증폭기에서 호출이 발생하였는지를 알 수 있다.주 조정기의 통신신호 처리 회로는 도 10 보조 증폭기의 통신신호 처리회로는 도 11에 그 회로를 나타내었다.통신신호의 펄스를 검출해낼 때 전위가 변하지 않는 하나의 기준점을 정하는 것이 필요한데 GND는 기준점으로 할 수 없다. 왜냐하면 각 보조 증폭기의 GND는 전원공급 선로의 저항으로 인하여 전압강하가 있기 때문에 각 보조 증폭기의 GND의 전위는 서로 같지 않다. 도 7의 설명에서 전원공급선의 길이와 관계없이 임의의 곳에서 전원전압의 절반이 되는 점의 전위는 서로 같다는 것을 증명하였다. 때문에 통신신호의 펄스를 검출할 때 기준점을 Vc/2로 정하였다.도 10에서 R1, C는 간단한 필터인데 통신신호에 겹쳐져 있는 PWM신호와 그 외의 교란신호를 필터링 하는 것이다. 이 신호를 Vc/2기준점과 비교하여 펄스를 검출한 다음 PIC16C74A의 I/O에 입력시킨다.주 조정기의 명령은 마이컴의 RB0를 통하여 스위치 T1을 제어하여 출력한다. T1이 OFF된 상태에서 통신선 COMU 의 전위가 (Vc/2+3)V로 되게 R2, R3의 값을 정하는데 값이 너무 크면 통신신호가 쉽게 교란을 받고, 너무 작으면 보조 증폭기가 데이터를 주조정기로 보낼 때 선로저항으로 인하여 R2양단에 생기는 펄스의 진폭이 너무 작아져 검출할 때 오차가 생길 수 있다. 때문에 여기에서는 R2, R3을 각각 2KΩ, 5KΩ으로 하였다. R4의 값은 T1이 ON하였을 때 COMU 선의 전위가(Vc/2-3)V 정도로 되도록 선정하면 되는데 여기에서는 1 KΩ로 하였다.주 조정기가 보조 증폭기로 보내는 통신신호는 그림 도 11과 같이 Vc/2를 기준으로 6V의 범위에서 변화하기에 검출 시 Vc/2를 기준점으로 삼아 비교기 C1에서 검출해 낸 다음 PIC16C55에 보낸다. 만일 N번째 보조 증폭기인 보조 증폭기n에서 CALL키를 눌렀다면 보조 증폭기n의 마이컴은 보조 증폭기내의 프로그램카운터의 내용이 자체의 번호 N과 같은 가를 판단하는데 같다면 마이컴은 RC6핀을 통하여 트랜지스터 T2를 제어하여 통신신호에서 보조 증폭기n파트의 2번째 LED위치에 약 0.8ms의 "0"을출력한다.주 조정기에서 기타 다른 명령이 전송되면 각 보조 증폭기는 역시 T2를 제어하여 데이터를 주 조정기로 전송한다. 회로에서 R2는 T2가 ON 되었을 때 진폭이 0에 접근하지 않는 값을 유지하여 다른 신호에 대한 교란을 줄이기 위한 것이다.

어학 시스템에 있어서 상기 신호전달방식은 원음 전달 케이블을 실드선을 사용하지 않고 일반선을 사용하고, 모든 보조 증폭기를 병렬로 연결할 수 있게되어 시스템의 설치비용을 획기적으로 절감할 수 있고.

기존에 컴퓨터를 사용하던 성적처리 를 가격이 저렴한 마이크로프로쎄서로 대치함으로서 비용절감은 물론 보다 효과적 교육을 수행할 수 있다.

어학 시스템은 특성상 전체 총 비용에서 시설비 와 유지 관리비가 많은 부분을 차지한다. 따라서 본 시스템의 개발은 시설비와 사후관리비의 50%이상을 절감할 수 있으므로 정해진 예산 안에서 보다 많은 어학실을 설치할 수 있어 국가적으로도 기여를 할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 외국어를 습득하기 위한 어학 시스템 제어방법에 있어서,

   적어도 두 개의 외부원음을 신호 복합부를 통하여 하나의 PWM 복합신호로 변조하는 단계와;

   상기 변조된 신호를 하나의 신호선으로 송출하는 단계와;

   상기 송출된 신호를 분리하고 필터링하여 원래의 아나로그 신호로 회복하여 학생들의 헤드폰을 구동하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 어학시스템의 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 외부원음을 복합하기 위하여 시 분할법으로 복합 파형을 만드는 단계와;

   보조 증폭기의 전원전압의 절반이 되는 점을 기준전압으로 그 윗측과 아래에 변조된 적어도 하나의 신호를 배치하는 것을 특징으로하는 어학시스템 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 송출된 하나의 신호에서 상기 기준전압과 적어도 두 개의 비교전압을 이용하여 원래의 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 어학시스템 제어방법.
4. 외국어를 습득하기 위한 시스템 제어방법에 있어서,

   보조 증폭기를 병렬로 연결하기 위하여 프레임 개념을 도입하여 시 분할법으로 명령데이터를 보내는 단계와,

   보조 증폭기의 전원전압의 절반이 되는 점을 기준전압으로 삼아 비교기 에서 검출해 내는 것을 특징으로하는 어학시스템의 제어방법.
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