關于數字語言教學系統的研究論文
摘要：數字網絡技術主導學校語言教學系統是目前中國各級教育機構中外語教學發展的必然趨勢。它豐富了高校語言的教學手段，提高了教學中語言的表現力，也滿足了學生對語言交流和綜合語言能力鍛煉等多方面的需求。該文以對高校中數字化語言實驗室的闡述作為開端，具體的研究和設計了數字語言教學系統的終端顯示平臺。
關鍵詞：數字語言教學系統；終端；顯示平臺
數字語言教學系統是取代傳統模擬語言教學系統的新時代產品。它的功能更加靈活和具體，實現了實時通信、自由點播、多通道資源分享、環境模擬等數字化特性，提高并多元化了高校語言教學的視聽層次和教學手段，也轉變了我國在語言教學方面的傳統觀念。當然，如此多維度的語言教學模式也為數字語言教學系統中的終端顯示平臺提出了更多新的要求。
1 高校語言教學模式
1.1 發展
教學模式是基于教學理論而設立的教學活動制度框架。以英語為例，我國多年來在英語教學方面都存在行為主義理論的思想，這種思想對教學方式和硬件條件的制約相當之大。例如傳統教學中最為經典的教師單人對多人的講課記錄模式，學生的聽講和記錄都是被動的，它并不利于調動學生學習的積極性，嚴格說這是違背了語言學習規律的，對學生語言實際應用能力的培養也毫無益處；而相對而言，函授教育雖然從科學角度講是略為先進的遠程教育模式，但它的缺點依然是學習者主動性的無從發揮。這兩種扼殺了學生創造力和個性的封閉教育模式，已經逐漸不能適應現代教育發展的需求，到了必須更新換代的時候。
進入21世紀，“教學模式應該更注重多維度的個性化學習方式，不應該受到時間和地點的約束而要變得更加主動”，這樣的理念已經昭示了課堂教學與網絡多媒體相結合的發展方向，網絡技術成為語言教學的主導核心已經逐漸成為現實。
目前的語言教學系統都是基于校園網絡平臺而建立的，它充分的利用了校園內部的網絡資源，取代了傳統模擬語音教學系統，成為了高校語言教學的主流模式。在1993年的美國計算機學會多媒體技術國際會議上，程序委員會主席Rangan就指出：“數字視頻與音頻技術的進步是計算機與網絡界的.一場革命，它們為計算機系統的應用和發展開拓了新的設計空間。”這句話充分表明了數字技術與多媒體技術已經走入我國教育領域，已經有了逐漸成為主流的趨勢。
總體而言，一套完整的數字語言教學系統應該具備數字音頻的壓縮編碼技術、解碼技術，還應該具有網絡存儲、通訊以及液晶顯示等高科技功能，它應該是一套集成多媒體教學的完整體系。教師僅僅利用一臺PC和一個控制臺，學生方面利用終端設備，就可以讓教師通過數字通信功能實現課件運行及設計等操作，還能夠直接對學生一方的終端通訊系統進行控制。所有學習資料都可以通過網絡渠道進行交換和共享，而經過A/D轉換，所需要的音頻及視頻數據就會通過協議傳送給用戶終端顯示平臺。這樣的高效智能組合目前已經逐步被運用到了各個高校的數字化語言教學系統之中。
在中國，高校數字語言教學系統主要分為兩類：簡易的數字語言實驗室和網絡數字語音室。簡易數字語言實驗室就是指將模擬語音信號轉換為數字信號，它的轉化其實是文字與圖像信號的數字化轉化傳輸。而網絡數字語音室則可以達到文字、視頻、音頻的全數字信號傳輸。所以說前者也叫做模擬語言實驗室，后者叫做數字語言實驗室。另外，網絡數字語言實驗室的最大特色是網絡，目前比較主流的兩種網絡模式是常見的以太網模式，還有就是ATM網絡模式。這兩種網絡模式都采用了雙向的數據交換，所自帶的資源庫擁有網絡共享功能，可以幫助學生實現數碼錄音、口語考試、模擬聽力等等功能，更加利于他們的自主學習。
1.3 數字語言教學系統的結構
大體來說，數字語言教學系統的結構就是一臺教師機（包括PC機、控制臺、顯示設備）以及眾多學生終端機。這些機器通過電纜和網線相連，再通過交換機形成最終的局域網絡，這樣就能夠實現教師對多個學生的語言教學功能。
學生終端部分主要由視頻顯示屏幕、語音和輸入接口三部分組成，它是師生之間相互交流的主要載體。教師所有的教學內容、資料和命令指示都可以通過此傳輸給學生終端設備，當然學生也可以將自己的資料和要求通過終端傳達給教師，還可以進行語音交流，形成互動。
整個系統的模擬電路采用了可編程邏輯器件來完成模擬信號與數字信號之間的轉換傳輸，而語音數據單獨通過語音芯片來編程邏輯電路及時序電路。液晶和鍵盤部分則由液晶板、鍵盤以及單片機構成，它們能夠實現對鍵盤的操作、與交換機的通訊、數據的讀寫存儲以及液晶板的顯示控制。交換機分為主交換機與次交換機。它為師生之間的學習交流提供信息通道。這些信息數據主要是通過上位機而發出并行進入接口板卡的，最終以差分狀態轉化為串行數據并傳輸。數據傳輸到交換機以后，會進行串行數據到64路數據的轉化，分別傳送給64個終端（終端設備數量因地而異）。反之，從終端傳輸出去的數據也會通過交換機進行逆處理傳輸給教師控制設備。
通常來說，數字語言實驗室通過網絡的A/D或D/A轉換和網絡標準協議，在服務器與用戶終端之間進行語音資料與視頻等數據文件的交換。這樣的轉換可以幫助教學實現多方面需求，充分的發揮教學效果。而軟件系統會結合實際硬件將整個數字語言教學劃分為幾大模塊，比如自主學習模塊、資料管理模塊、教案制作模塊、課堂教學模塊、電子考場模塊和系統管理模塊。
2 數字語言教學系統中終端顯示平臺的設計
2.1 系統的組成
本文所闡述的數字語言教學系統是基于FPGA（Field-Programmble Gate Array）技術的終端顯示平臺。FPGA是一種現場可編程的門陣列技術，它起步于PAL、CPLD、GAL等編程器件，是專用集成電路領域中的一種半定制電路。這套終端顯示平臺體系完全適用于多媒體數字語言教學系統。系統的主要組成部分是教師控制設備、以太網及ATM兩種交換機、學生顯示終端機。以太網可以進行視頻、文字、圖像等數據的傳輸并提供普通的網絡服務。ATM交換機則可以傳輸一些要求具備實時性的數據，比如語音、文本和CAD繪圖等等。學生的終端顯示平臺主要分為處理器和Windows操作系統兩部分，它們負責接收來自以太網交換機的視頻圖像數據。另外還有CPLD模塊，它是負責接收并處理來自ATM交換機的語音及文本數據。
2.2 關于終端顯示平臺的設計
在數字語言教學系統的終端顯示平臺中，LVDS發送器、VGA控制器以及SDRAM控制器都能夠提高圖像幀刷新率。另外FPGA負責大流量數據的異步實時通信，STM32單片則控制顯示各種高分辨率圖像。
通過STM32單片機就可以模擬8080總線接口的讀寫時序，從而能自定義數據傳輸協議。本文設計中的模塊采用了16位的8080總線接口，其中接口信號有地址數據控制信號A0、讀控制信號RE、寫控制信號WE、片選信號CE以及16位數據接口。A0數值為0時就表示已經對地址寄存器開始了相應操作，此時每個子寄存器的取值范圍在0～8，如果當A0為1，那么就代表寄存器的數據已經寫入。
另一方面，由顯示控制命令來控制顯示器的開關，教師機可以通過一臺機器的操作就開關所有分支終端設備。具體細節為寫入00H數據時顯示器關閉，即模塊不再向顯示器輸出信號，此時顯示器會顯示無信號。而反之寫入數據01H時為打開顯示設備。在寫命令時，由寄存器向模塊發出讀寫操作命令，即向屏幕連續寫入像素點數據。但首先要設置好水平起始位置、垂直起始位置、x方向長度和y方向長度4個寄存器參數，才可以發命令將數據寫入屏幕。讀命令時，同樣通過模塊發出讀的操作指令，但是讀取時有像素的限制，每次只能讀取一個像素，只有不斷反復操作才能讀取多個命令。
2.3 SDRAM控制器
首先要對SDRAM進行初始化才能開始讀寫。通常它的初始化有4個步驟：輸入穩定期200us、L-Bank預充電、模式寄存器設置和八次刷新周期操作。SDRAM要每隔一段時間進行刷新，以確保數據不會丟失。它的工作操作是通過模式寄存器的設定來進行的，其中突發長度、突發類型和CAS延時都是能夠影響SDRAM操作的因素。當模式寄存器初始化完畢后，就可以數據訪問SDRAM地址展開讀寫操作。不過，在讀寫操作前也要保證行地址選通信號RAS、片選信號CS和塊地址選擇控制信號L-Bank在時鐘上升沿到來時的有效性。當行地址確定之后，才可以確定具體的列地址。當行激活有效命令后會將命令發到列地址，這期間的等待時間叫做行地址選通周期，此周期內SDRAM應該處于發空操作命令期間，不需對SDRAM有任何操作。一般來說，行有效命令的發出會有大約22.5ns的延時，但不影響命令的有效性。
總之，在設計SDRAM控制器時，一定要注重狀態機控制模塊、命令控制模塊以及數據控制模塊這三個模塊的具體應用。它們不但承擔了數據編寫、讀寫處理等任務，還起到了緩存銜接、控制數據流向和命令賦值等作用，對整個終端顯示平臺的正常運轉具有積極意義。
2.4 LVDS轉換芯片
LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）接口技術是終端顯示平臺的主要技術，它們實現了CMOS轉LVDS接口芯片功能和FPGA編程技術。
2.5 FPGA的設計步驟
FPGA一般按照邏輯設計和性能系統應用兩方面來設計以滿足用戶的不同需求。本文中的LVDS內嵌IP內核，還有包括FIFO的IP內核，所以需要大量的M9K資源。另外考慮到FPGA編程的靈活性，則選用了含有40000個LE邏輯單元的CycloneIII代處理器和QuartusII第四代可編程邏輯開發軟件平臺，它們的組合提高了集成度和設計環境，使FPGA邏輯設計的設計輸入、編譯、仿真和定時分析等等功能的實際發揮更加自如。
利用Quartus II數字系統開發FPGA的具體流程如下：
1）首先繪制原理圖，考慮波形的變化和HDL的輸入方式。
2）其次根據實際的設計要求來編譯FPGA的編程策略和參數，然后根據這些參數與策略進行邏輯設計，最終能生成所需要的報告文件。
3）在仿真的設計中，要注意時序仿真和功能仿真兩種模式。時序仿真的延時信息能夠反映芯片在設計中的實際工作情況。功能仿真則是為了驗證電路的設計是否達標而存在的。
4）程序在編譯完成并驗證成功后，就可以進行器件配置和管腳參數的設置了。
由上文的介紹可得知本次設計的具體方案，即利用CycloneIII處理器的FPGA和SDRAM芯片共同組成操作，用來存儲視頻、圖像、文字等數據。并且利用鑲嵌在FPGA內部的LVDS發送器，通過8080接口協議以及ATM網絡進行數據轉換并再次發送給FPGA，達到對整個系統的數據通信控制，最后實現系統終端顯示平臺的穩定運行。
3 終端顯示平臺的最終測試
在數字語言教學系統的終端顯示平臺上主要包括STM32單片機和FPGA控制臺兩大模塊結構，其中的設計也主要分為硬件和軟件兩部分。所以尤其考慮到它們運行的穩定性，就要進行測試。比如說SDRAM讀寫、以太網以及ATM網的切換等功能，通過這些測試最終確定設計方案是否可行。
3.1 SDRAM的讀寫
SDRAM是整個系統的外部存儲器，它要經手所有數據的存儲，并在讀寫之后才可以顯示，所以對SDRAM讀寫功能的測試是最為重要的環節，它的讀寫穩定關系到了以太網和ATM網的數據調試。
SDRAM讀寫測試時第一步要用Verilog來編寫測試程序，這樣做的目的就是為了把程序載入到FPGA芯片當中，隨后就可以通過系統內部的邏輯分析器進行SDRAM數據的動態觀察，看其是否與外部寫入的數據相一致。本文中的測試要連續寫入數據才能進行SDRAM讀寫數據的波形對比。此時要保證數據的輸出是連續的，例如從數字0到65536的連續數據輸出，只有這樣才能驗證SDRAM控制器的性能是否已經達到要求。
3.2 以太網和ATM的測試
要對兩種網絡類型進行測試，就要首先測試8080接口協議，8080接口數據采集的顯示結果能反映出兩種網絡類型的性能。通過STM32單片機和C語言來編寫測試程序并向SDRAM寫入數據。對于CRT顯示器來說，最好選擇VGA接口連接，因為它比LVDS接口的顯示終端信號更加穩定。所以在整體電路設計時應該再為終端設備增添相應的電阻網絡通道，將VGA信號轉換為LVDS，這樣CRT顯示器就可以同步顯示教師機的內容了，同時也能驗證STM32單片機中數據運行的正確性。
3.3 顯示平臺測試
在數字語言教學系統的終端顯示平臺上運行Windows系統，如果系統界面在屏幕上顯示正常，且在具體操作中不會出現界面的晃動和延遲，這就表示系統工作處于穩定狀態，基本滿足了整個系統設計的要求。
4 結語
本文中所設計的數字語言教學系統終端顯示平臺結合了LVDS發送技術、FPGA編程技術、終端平臺同步顯示技術、STM32單片機控制技術和SDRAM外部存儲技術。在這些技術功能的輔助下，高校的語言教學變得更加豐富、個性化、多元化。同時，這種開放性的教學環境也符合當今我國對培養學生綜合素質能力、提高學生學習自主能動性的教學要求，可以說，數字語言教學系統是科技與人文思想理念共同進步的標志。
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