關(guān)于數字語(yǔ)言教學(xué)系統的研究論文

　　摘要：數字網(wǎng)絡(luò )技術(shù)主導學(xué)校語(yǔ)言教學(xué)系統是目前中國各級教育機構中外語(yǔ)教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。它豐富了高校語(yǔ)言的教學(xué)手段，提高了教學(xué)中語(yǔ)言的表現力，也滿(mǎn)足了學(xué)生對語(yǔ)言交流和綜合語(yǔ)言能力鍛煉等多方面的需求。該文以對高校中數字化語(yǔ)言實(shí)驗室的闡述作為開(kāi)端，具體的研究和設計了數字語(yǔ)言教學(xué)系統的終端顯示平臺。

　　關(guān)鍵詞：數字語(yǔ)言教學(xué)系統；終端；顯示平臺

　　數字語(yǔ)言教學(xué)系統是取代傳統模擬語(yǔ)言教學(xué)系統的新時(shí)代產(chǎn)品。它的功能更加靈活和具體，實(shí)現了實(shí)時(shí)通信、自由點(diǎn)播、多通道資源分享、環(huán)境模擬等數字化特性，提高并多元化了高校語(yǔ)言教學(xué)的視聽(tīng)層次和教學(xué)手段，也轉變了我國在語(yǔ)言教學(xué)方面的傳統觀(guān)念。當然，如此多維度的語(yǔ)言教學(xué)模式也為數字語(yǔ)言教學(xué)系統中的終端顯示平臺提出了更多新的要求。

　　1 高校語(yǔ)言教學(xué)模式

　　1.1 發(fā)展

　　教學(xué)模式是基于教學(xué)理論而設立的教學(xué)活動(dòng)制度框架。以英語(yǔ)為例，我國多年來(lái)在英語(yǔ)教學(xué)方面都存在行為主義理論的思想，這種思想對教學(xué)方式和硬件條件的制約相當之大。例如傳統教學(xué)中最為經(jīng)典的教師單人對多人的講課記錄模式，學(xué)生的聽(tīng)講和記錄都是被動(dòng)的，它并不利于調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的積極性，嚴格說(shuō)這是違背了語(yǔ)言學(xué)習規律的，對學(xué)生語(yǔ)言實(shí)際應用能力的培養也毫無(wú)益處；而相對而言，函授教育雖然從科學(xué)角度講是略為先進(jìn)的遠程教育模式，但它的缺點(diǎn)依然是學(xué)習者主動(dòng)性的無(wú)從發(fā)揮。這兩種扼殺了學(xué)生創(chuàng )造力和個(gè)性的封閉教育模式，已經(jīng)逐漸不能適應現代教育發(fā)展的需求，到了必須更新?lián)Q代的時(shí)候。

　　進(jìn)入21世紀，“教學(xué)模式應該更注重多維度的個(gè)性化學(xué)習方式，不應該受到時(shí)間和地點(diǎn)的約束而要變得更加主動(dòng)”，這樣的理念已經(jīng)昭示了課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò )多媒體相結合的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)成為語(yǔ)言教學(xué)的主導核心已經(jīng)逐漸成為現實(shí)。

　　目前的語(yǔ)言教學(xué)系統都是基于校園網(wǎng)絡(luò )平臺而建立的，它充分的利用了校園內部的網(wǎng)絡(luò )資源，取代了傳統模擬語(yǔ)音教學(xué)系統，成為了高校語(yǔ)言教學(xué)的主流模式。在1993年的美國計算機學(xué)會(huì )多媒體技術(shù)國際會(huì )議上，程序委員會(huì )主席Rangan就指出：“數字視頻與音頻技術(shù)的進(jìn)步是計算機與網(wǎng)絡(luò )界的.一場(chǎng)革命，它們?yōu)橛嬎銠C系統的應用和發(fā)展開(kāi)拓了新的設計空間�！边@句話(huà)充分表明了數字技術(shù)與多媒體技術(shù)已經(jīng)走入我國教育領(lǐng)域，已經(jīng)有了逐漸成為主流的趨勢。

　　總體而言，一套完整的數字語(yǔ)言教學(xué)系統應該具備數字音頻的壓縮編碼技術(shù)、解碼技術(shù)，還應該具有網(wǎng)絡(luò )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(xué)的完整體系。教師僅僅利用一臺PC和一個(gè)控制臺，學(xué)生方面利用終端設備，就可以讓教師通過(guò)數字通信功能實(shí)現課件運行及設計等操作，還能夠直接對學(xué)生一方的終端通訊系統進(jìn)行控制。所有學(xué)習資料都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )渠道進(jìn)行交換和共享，而經(jīng)過(guò)A/D轉換，所需要的音頻及視頻數據就會(huì )通過(guò)協(xié)議傳送給用戶(hù)終端顯示平臺。這樣的高效智能組合目前已經(jīng)逐步被運用到了各個(gè)高校的數字化語(yǔ)言教學(xué)系統之中。

　　在中國，高校數字語(yǔ)言教學(xué)系統主要分為兩類(lèi)：簡(jiǎn)易的數字語(yǔ)言實(shí)驗室和網(wǎng)絡(luò )數字語(yǔ)音室。簡(jiǎn)易數字語(yǔ)言實(shí)驗室就是指將模擬語(yǔ)音信號轉換為數字信號，它的轉化其實(shí)是文字與圖像信號的數字化轉化傳輸。而網(wǎng)絡(luò )數字語(yǔ)音室則可以達到文字、視頻、音頻的全數字信號傳輸。所以說(shuō)前者也叫做模擬語(yǔ)言實(shí)驗室，后者叫做數字語(yǔ)言實(shí)驗室。另外，網(wǎng)絡(luò )數字語(yǔ)言實(shí)驗室的最大特色是網(wǎng)絡(luò )，目前比較主流的兩種網(wǎng)絡(luò )模式是常見(jiàn)的以太網(wǎng)模式，還有就是ATM網(wǎng)絡(luò )模式。這兩種網(wǎng)絡(luò )模式都采用了雙向的數據交換，所自帶的資源庫擁有網(wǎng)絡(luò )共享功能，可以幫助學(xué)生實(shí)現數碼錄音、口語(yǔ)考試、模擬聽(tīng)力等等功能，更加利于他們的自主學(xué)習。

　　1.3 數字語(yǔ)言教學(xué)系統的結構

　　大體來(lái)說(shuō)，數字語(yǔ)言教學(xué)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(xué)生終端機。這些機器通過(guò)電纜和網(wǎng)線(xiàn)相連，再通過(guò)交換機形成最終的局域網(wǎng)絡(luò )，這樣就能夠實(shí)現教師對多個(gè)學(xué)生的語(yǔ)言教學(xué)功能。

　　學(xué)生終端部分主要由視頻顯示屏幕、語(yǔ)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(xué)內容、資料和命令指示都可以通過(guò)此傳輸給學(xué)生終端設備，當然學(xué)生也可以將自己的資料和要求通過(guò)終端傳達給教師，還可以進(jìn)行語(yǔ)音交流，形成互動(dòng)。

　　整個(gè)系統的模擬電路采用了可編程邏輯器件來(lái)完成模擬信號與數字信號之間的轉換傳輸，而語(yǔ)音數據單獨通過(guò)語(yǔ)音芯片來(lái)編程邏輯電路及時(shí)序電路。液晶和鍵盤(pán)部分則由液晶板、鍵盤(pán)以及單片機構成，它們能夠實(shí)現對鍵盤(pán)的操作、與交換機的通訊、數據的讀寫(xiě)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(xué)習交流提供信息通道。這些信息數據主要是通過(guò)上位機而發(fā)出并行進(jìn)入接口板卡的，最終以差分狀態(tài)轉化為串行數據并傳輸。數據傳輸到交換機以后，會(huì )進(jìn)行串行數據到64路數據的轉化，分別傳送給64個(gè)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(huì )通過(guò)交換機進(jìn)行逆處理傳輸給教師控制設備。

　　通常來(lái)說(shuō)，數字語(yǔ)言實(shí)驗室通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的A/D或D/A轉換和網(wǎng)絡(luò )標準協(xié)議，在服務(wù)器與用戶(hù)終端之間進(jìn)行語(yǔ)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(xué)實(shí)現多方面需求，充分的發(fā)揮教學(xué)效果。而軟件系統會(huì )結合實(shí)際硬件將整個(gè)數字語(yǔ)言教學(xué)劃分為幾大模塊，比如自主學(xué)習模塊、資料管理模塊、教案制作模塊、課堂教學(xué)模塊、電子考場(chǎng)模塊和系統管理模塊。

　　2 數字語(yǔ)言教學(xué)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(yǔ)言教學(xué)系統是基于FPGA（Field-Programmble Gate Array）技術(shù)的終端顯示平臺。FPGA是一種現場(chǎng)可編程的門(mén)陣列技術(shù)，它起步于PAL、CPLD、GAL等編程器件，是專(zhuān)用集成電路領(lǐng)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(yǔ)言教學(xué)系統。系統的主要組成部分是教師控制設備、以太網(wǎng)及ATM兩種交換機、學(xué)生顯示終端機。以太網(wǎng)可以進(jìn)行視頻、文字、圖像等數據的傳輸并提供普通的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。ATM交換機則可以傳輸一些要求具備實(shí)時(shí)性的數據，比如語(yǔ)音、文本和CAD繪圖等等。學(xué)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(lái)自以太網(wǎng)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(lái)自ATM交換機的語(yǔ)音及文本數據。

　　2.2 關(guān)于終端顯示平臺的設計

　　在數字語(yǔ)言教學(xué)系統的終端顯示平臺中，LVDS發(fā)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(shí)時(shí)通信，STM32單片則控制顯示各種高分辨率圖像。

　　通過(guò)STM32單片機就可以模擬8080總線(xiàn)接口的讀寫(xiě)時(shí)序，從而能自定義數據傳輸協(xié)議。本文設計中的模塊采用了16位的8080總線(xiàn)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(xiě)控制信號WE、片選信號CE以及16位數據接口。A0數值為0時(shí)就表示已經(jīng)對地址寄存器開(kāi)始了相應操作，此時(shí)每個(gè)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(jīng)寫(xiě)入。

　　另一方面，由顯示控制命令來(lái)控制顯示器的開(kāi)關(guān)，教師機可以通過(guò)一臺機器的操作就開(kāi)關(guān)所有分支終端設備。具體細節為寫(xiě)入00H數據時(shí)顯示器關(guān)閉，即模塊不再向顯示器輸出信號，此時(shí)顯示器會(huì )顯示無(wú)信號。而反之寫(xiě)入數據01H時(shí)為打開(kāi)顯示設備。在寫(xiě)命令時(shí)，由寄存器向模塊發(fā)出讀寫(xiě)操作命令，即向屏幕連續寫(xiě)入像素點(diǎn)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(cháng)度和y方向長(cháng)度4個(gè)寄存器參數，才可以發(fā)命令將數據寫(xiě)入屏幕。讀命令時(shí)，同樣通過(guò)模塊發(fā)出讀的操作指令，但是讀取時(shí)有像素的限制，每次只能讀取一個(gè)像素，只有不斷反復操作才能讀取多個(gè)命令。

　　2.3 SDRAM控制器

　　首先要對SDRAM進(jìn)行初始化才能開(kāi)始讀寫(xiě)。通常它的初始化有4個(gè)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(shí)間進(jìn)行刷新，以確保數據不會(huì )丟失。它的工作操作是通過(guò)模式寄存器的設定來(lái)進(jìn)行的，其中突發(fā)長(cháng)度、突發(fā)類(lèi)型和CAS延時(shí)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(fǎng)問(wèn)SDRAM地址展開(kāi)讀寫(xiě)操作。不過(guò)，在讀寫(xiě)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(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)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(huì )將命令發(fā)到列地址，這期間的等待時(shí)間叫做行地址選通周期，此周期內SDRAM應該處于發(fā)空操作命令期間，不需對SDRAM有任何操作。一般來(lái)說(shuō)，行有效命令的發(fā)出會(huì )有大約22.5ns的延時(shí)，但不影響命令的有效性。

　　總之，在設計SDRAM控制器時(shí)，一定要注重狀態(tài)機控制模塊、命令控制模塊以及數據控制模塊這三個(gè)模塊的具體應用。它們不但承擔了數據編寫(xiě)、讀寫(xiě)處理等任務(wù)，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(gè)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(shù)是終端顯示平臺的主要技術(shù)，它們實(shí)現了CMOS轉LVDS接口芯片功能和FPGA編程技術(shù)。

　　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(lái)設計以滿(mǎn)足用戶(hù)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(gè)LE邏輯單元的CycloneIII代處理器和QuartusII第四代可編程邏輯開(kāi)發(fā)軟件平臺，它們的組合提高了集成度和設計環(huán)境，使FPGA邏輯設計的設計輸入、編譯、仿真和定時(shí)分析等等功能的實(shí)際發(fā)揮更加自如。

　　利用Quartus II數字系統開(kāi)發(fā)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(shí)際的設計要求來(lái)編譯FPGA的編程策略和參數，然后根據這些參數與策略進(jìn)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(shí)序仿真和功能仿真兩種模式。時(shí)序仿真的延時(shí)信息能夠反映芯片在設計中的實(shí)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(jìn)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(lái)存儲視頻、圖像、文字等數據。并且利用鑲嵌在FPGA內部的LVDS發(fā)送器，通過(guò)8080接口協(xié)議以及ATM網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據轉換并再次發(fā)送給FPGA，達到對整個(gè)系統的數據通信控制，最后實(shí)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(yǔ)言教學(xué)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(jìn)行測試。比如說(shuō)SDRAM讀寫(xiě)、以太網(wǎng)以及ATM網(wǎng)的切換等功能，通過(guò)這些測試最終確定設計方案是否可行。

　　3.1 SDRAM的讀寫(xiě)

　　SDRAM是整個(gè)系統的外部存儲器，它要經(jīng)手所有數據的存儲，并在讀寫(xiě)之后才可以顯示，所以對SDRAM讀寫(xiě)功能的測試是最為重要的環(huán)節，它的讀寫(xiě)穩定關(guān)系到了以太網(wǎng)和ATM網(wǎng)的數據調試。

　　SDRAM讀寫(xiě)測試時(shí)第一步要用Verilog來(lái)編寫(xiě)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(guò)系統內部的邏輯分析器進(jìn)行SDRAM數據的動(dòng)態(tài)觀(guān)察，看其是否與外部寫(xiě)入的數據相一致。本文中的測試要連續寫(xiě)入數據才能進(jìn)行SDRAM讀寫(xiě)數據的波形對比。此時(shí)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(jīng)達到要求。

　　3.2 以太網(wǎng)和ATM的測試

　　要對兩種網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型進(jìn)行測試，就要首先測試8080接口協(xié)議，8080接口數據采集的顯示結果能反映出兩種網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型的性能。通過(guò)STM32單片機和C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)測試程序并向SDRAM寫(xiě)入數據。對于CRT顯示器來(lái)說(shuō)，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(shí)應該再為終端設備增添相應的電阻網(wǎng)絡(luò )通道，將VGA信號轉換為L(cháng)VDS，這樣CRT顯示器就可以同步顯示教師機的內容了，同時(shí)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(yǔ)言教學(xué)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(huì )出現界面的晃動(dòng)和延遲，這就表示系統工作處于穩定狀態(tài)，基本滿(mǎn)足了整個(gè)系統設計的要求。

　　4 結語(yǔ)

　　本文中所設計的數字語(yǔ)言教學(xué)系統終端顯示平臺結合了LVDS發(fā)送技術(shù)、FPGA編程技術(shù)、終端平臺同步顯示技術(shù)、STM32單片機控制技術(shù)和SDRAM外部存儲技術(shù)。在這些技術(shù)功能的輔助下，高校的語(yǔ)言教學(xué)變得更加豐富、個(gè)性化、多元化。同時(shí)，這種開(kāi)放性的教學(xué)環(huán)境也符合當今我國對培養學(xué)生綜合素質(zhì)能力、提高學(xué)生學(xué)習自主能動(dòng)性的教學(xué)要求，可以說(shuō)，數字語(yǔ)言教學(xué)系統是科技與人文思想理念共同進(jìn)步的標志。

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