關(guān)于數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的研究論文
摘要：數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主導(dǎo)學(xué)校語言教學(xué)系統(tǒng)是目前中國各級(jí)教育機(jī)構(gòu)中外語教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。它豐富了高校語言的教學(xué)手段，提高了教學(xué)中語言的表現(xiàn)力，也滿足了學(xué)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(shù)字化語言實(shí)驗(yàn)室的闡述作為開端，具體的研究和設(shè)計(jì)了數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的終端顯示平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)；終端；顯示平臺(tái)
數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)是取代傳統(tǒng)模擬語言教學(xué)系統(tǒng)的新時(shí)代產(chǎn)品。它的功能更加靈活和具體，實(shí)現(xiàn)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(shù)字化特性，提高并多元化了高校語言教學(xué)的視聽層次和教學(xué)手段，也轉(zhuǎn)變了我國在語言教學(xué)方面的傳統(tǒng)觀念。當(dāng)然，如此多維度的語言教學(xué)模式也為數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)中的終端顯示平臺(tái)提出了更多新的要求。
1 高校語言教學(xué)模式
1.1 發(fā)展
教學(xué)模式是基于教學(xué)理論而設(shè)立的教學(xué)活動(dòng)制度框架。以英語為例，我國多年來在英語教學(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(dāng)之大。例如傳統(tǒng)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)生的聽講和記錄都是被動(dòng)的，它并不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，嚴(yán)格說這是違背了語言學(xué)習(xí)規(guī)律的，對學(xué)生語言實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)也毫無益處；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(yuǎn)程教育模式，但它的缺點(diǎn)依然是學(xué)習(xí)者主動(dòng)性的無從發(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(yīng)現(xiàn)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(jì)，“教學(xué)模式應(yīng)該更注重多維度的個(gè)性化學(xué)習(xí)方式，不應(yīng)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(jié)合的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為語言教學(xué)的主導(dǎo)核心已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
目前的語言教學(xué)系統(tǒng)都是基于校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)而建立的，它充分的利用了校園內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)資源，取代了傳統(tǒng)模擬語音教學(xué)系統(tǒng)，成為了高校語言教學(xué)的主流模式。在1993年的美國計(jì)算機(jī)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(shù)字視頻與音頻技術(shù)的進(jìn)步是計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)界的.一場革命，它們?yōu)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展開拓了新的設(shè)計(jì)空間�！边@句話充分表明了數(shù)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(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該具備數(shù)字音頻的壓縮編碼技術(shù)、解碼技術(shù)，還應(yīng)該具有網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、通訊以及液晶顯示等高科技功能，它應(yīng)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(tái)PC和一個(gè)控制臺(tái)，學(xué)生方面利用終端設(shè)備，就可以讓教師通過數(shù)字通信功能實(shí)現(xiàn)課件運(yùn)行及設(shè)計(jì)等操作，還能夠直接對學(xué)生一方的終端通訊系統(tǒng)進(jìn)行控制。所有學(xué)習(xí)資料都可以通過網(wǎng)絡(luò)渠道進(jìn)行交換和共享，而經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，所需要的音頻及視頻數(shù)據(jù)就會(huì)通過協(xié)議傳送給用戶終端顯示平臺(tái)。這樣的高效智能組合目前已經(jīng)逐步被運(yùn)用到了各個(gè)高校的數(shù)字化語言教學(xué)系統(tǒng)之中。
在中國，高校數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)主要分為兩類：簡易的數(shù)字語言實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)絡(luò)數(shù)字語音室。簡易數(shù)字語言實(shí)驗(yàn)室就是指將模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，它的轉(zhuǎn)化其實(shí)是文字與圖像信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化傳輸。而網(wǎng)絡(luò)數(shù)字語音室則可以達(dá)到文字、視頻、音頻的全數(shù)字信號(hào)傳輸。所以說前者也叫做模擬語言實(shí)驗(yàn)室，后者叫做數(shù)字語言實(shí)驗(yàn)室。另外，網(wǎng)絡(luò)數(shù)字語言實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)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(xué)習(xí)。
1.3 數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
大體來說，數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就是一臺(tái)教師機(jī)（包括PC機(jī)、控制臺(tái)、顯示設(shè)備）以及眾多學(xué)生終端機(jī)。這些機(jī)器通過電纜和網(wǎng)線相連，再通過交換機(jī)形成最終的局域網(wǎng)絡(luò)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)教師對多個(gè)學(xué)生的語言教學(xué)功能。
學(xué)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(xué)內(nèi)容、資料和命令指示都可以通過此傳輸給學(xué)生終端設(shè)備，當(dāng)然學(xué)生也可以將自己的資料和要求通過終端傳達(dá)給教師，還可以進(jìn)行語音交流，形成互動(dòng)。
整個(gè)系統(tǒng)的模擬電路采用了可編程邏輯器件來完成模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換傳輸，而語音數(shù)據(jù)單獨(dú)通過語音芯片來編程邏輯電路及時(shí)序電路。液晶和鍵盤部分則由液晶板、鍵盤以及單片機(jī)構(gòu)成，它們能夠?qū)崿F(xiàn)對鍵盤的操作、與交換機(jī)的通訊、數(shù)據(jù)的讀寫存儲(chǔ)以及液晶板的顯示控制。交換機(jī)分為主交換機(jī)與次交換機(jī)。它為師生之間的學(xué)習(xí)交流提供信息通道。這些信息數(shù)據(jù)主要是通過上位機(jī)而發(fā)出并行進(jìn)入接口板卡的，最終以差分狀態(tài)轉(zhuǎn)化為串行數(shù)據(jù)并傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)以后，會(huì)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)到64路數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，分別傳送給64個(gè)終端（終端設(shè)備數(shù)量因地而異）。反之，從終端傳輸出去的數(shù)據(jù)也會(huì)通過交換機(jī)進(jìn)行逆處理傳輸給教師控制設(shè)備。
通常來說，數(shù)字語言實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)的A/D或D/A轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在服務(wù)器與用戶終端之間進(jìn)行語音資料與視頻等數(shù)據(jù)文件的交換。這樣的轉(zhuǎn)換可以幫助教學(xué)實(shí)現(xiàn)多方面需求，充分的發(fā)揮教學(xué)效果。而軟件系統(tǒng)會(huì)結(jié)合實(shí)際硬件將整個(gè)數(shù)字語言教學(xué)劃分為幾大模塊，比如自主學(xué)習(xí)模塊、資料管理模塊、教案制作模塊、課堂教學(xué)模塊、電子考場模塊和系統(tǒng)管理模塊。
2 數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)中終端顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)的組成
本文所闡述的數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)是基于FPGA（Field-Programmble Gate Array）技術(shù)的終端顯示平臺(tái)。FPGA是一種現(xiàn)場可編程的門陣列技術(shù)，它起步于PAL、CPLD、GAL等編程器件，是專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路。這套終端顯示平臺(tái)體系完全適用于多媒體數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要組成部分是教師控制設(shè)備、以太網(wǎng)及ATM兩種交換機(jī)、學(xué)生顯示終端機(jī)。以太網(wǎng)可以進(jìn)行視頻、文字、圖像等數(shù)據(jù)的傳輸并提供普通的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。ATM交換機(jī)則可以傳輸一些要求具備實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)，比如語音、文本和CAD繪圖等等。學(xué)生的終端顯示平臺(tái)主要分為處理器和Windows操作系統(tǒng)兩部分，它們負(fù)責(zé)接收來自以太網(wǎng)交換機(jī)的視頻圖像數(shù)據(jù)。另外還有CPLD模塊，它是負(fù)責(zé)接收并處理來自ATM交換機(jī)的語音及文本數(shù)據(jù)。
2.2 關(guān)于終端顯示平臺(tái)的設(shè)計(jì)
在數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的終端顯示平臺(tái)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(fù)責(zé)大流量數(shù)據(jù)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STM32單片機(jī)就可以模擬8080總線接口的讀寫時(shí)序，從而能自定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。本文設(shè)計(jì)中的模塊采用了16位的8080總線接口，其中接口信號(hào)有地址數(shù)據(jù)控制信號(hào)A0、讀控制信號(hào)RE、寫控制信號(hào)WE、片選信號(hào)CE以及16位數(shù)據(jù)接口。A0數(shù)值為0時(shí)就表示已經(jīng)對地址寄存器開始了相應(yīng)操作，此時(shí)每個(gè)子寄存器的取值范圍在0～8，如果當(dāng)A0為1，那么就代表寄存器的數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入。
另一方面，由顯示控制命令來控制顯示器的開關(guān)，教師機(jī)可以通過一臺(tái)機(jī)器的操作就開關(guān)所有分支終端設(shè)備。具體細(xì)節(jié)為寫入00H數(shù)據(jù)時(shí)顯示器關(guān)閉，即模塊不再向顯示器輸出信號(hào)，此時(shí)顯示器會(huì)顯示無信號(hào)。而反之寫入數(shù)據(jù)01H時(shí)為打開顯示設(shè)備。在寫命令時(shí)，由寄存器向模塊發(fā)出讀寫操作命令，即向屏幕連續(xù)寫入像素點(diǎn)數(shù)據(jù)。但首先要設(shè)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(gè)寄存器參數(shù)，才可以發(fā)命令將數(shù)據(jù)寫入屏幕。讀命令時(shí)，同樣通過模塊發(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(fù)操作才能讀取多個(gè)命令。
2.3 SDRAM控制器
首先要對SDRAM進(jìn)行初始化才能開始讀寫。通常它的初始化有4個(gè)步驟：輸入穩(wěn)定期200us、L-Bank預(yù)充電、模式寄存器設(shè)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(shù)據(jù)不會(huì)丟失。它的工作操作是通過模式寄存器的設(shè)定來進(jìn)行的，其中突發(fā)長度、突發(fā)類型和CAS延時(shí)都是能夠影響SDRAM操作的因素。當(dāng)模式寄存器初始化完畢后，就可以數(shù)據(jù)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(hào)RAS、片選信號(hào)CS和塊地址選擇控制信號(hào)L-Bank在時(shí)鐘上升沿到來時(shí)的有效性。當(dāng)行地址確定之后，才可以確定具體的列地址。當(dāng)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(nèi)SDRAM應(yīng)該處于發(fā)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(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(shè)計(jì)SDRAM控制器時(shí)，一定要注重狀態(tài)機(jī)控制模塊、命令控制模塊以及數(shù)據(jù)控制模塊這三個(gè)模塊的具體應(yīng)用。它們不但承擔(dān)了數(shù)據(jù)編寫、讀寫處理等任務(wù)，還起到了緩存銜接、控制數(shù)據(jù)流向和命令賦值等作用，對整個(gè)終端顯示平臺(tái)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有積極意義。
2.4 LVDS轉(zhuǎn)換芯片
LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）接口技術(shù)是終端顯示平臺(tái)的主要技術(shù)，它們實(shí)現(xiàn)了CMOS轉(zhuǎn)LVDS接口芯片功能和FPGA編程技術(shù)。
2.5 FPGA的設(shè)計(jì)步驟
FPGA一般按照邏輯設(shè)計(jì)和性能系統(tǒng)應(yīng)用兩方面來設(shè)計(jì)以滿足用戶的不同需求。本文中的LVDS內(nèi)嵌IP內(nèi)核，還有包括FIFO的IP內(nèi)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發(fā)軟件平臺(tái)，它們的組合提高了集成度和設(shè)計(jì)環(huán)境，使FPGA邏輯設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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(shù)字系統(tǒng)開發(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(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)要求來編譯FPGA的編程策略和參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)與策略進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，最終能生成所需要的報(bào)告文件。
3）在仿真的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中的實(shí)際工作情況。功能仿真則是為了驗(yàn)證電路的設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)而存在的。
4）程序在編譯完成并驗(yàn)證成功后，就可以進(jìn)行器件配置和管腳參數(shù)的設(shè)置了。
由上文的介紹可得知本次設(shè)計(jì)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(chǔ)視頻、圖像、文字等數(shù)據(jù)。并且利用鑲嵌在FPGA內(nèi)部的LVDS發(fā)送器，通過8080接口協(xié)議以及ATM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并再次發(fā)送給FPGA，達(dá)到對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信控制，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)終端顯示平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3 終端顯示平臺(tái)的最終測試
在數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的終端顯示平臺(tái)上主要包括STM32單片機(jī)和FPGA控制臺(tái)兩大模塊結(jié)構(gòu)，其中的設(shè)計(jì)也主要分為硬件和軟件兩部分。所以尤其考慮到它們運(yùn)行的穩(wěn)定性，就要進(jìn)行測試。比如說SDRAM讀寫、以太網(wǎng)以及ATM網(wǎng)的切換等功能，通過這些測試最終確定設(shè)計(jì)方案是否可行。
3.1 SDRAM的讀寫
SDRAM是整個(gè)系統(tǒng)的外部存儲(chǔ)器，它要經(jīng)手所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，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(huán)節(jié)，它的讀寫穩(wěn)定關(guān)系到了以太網(wǎng)和ATM網(wǎng)的數(shù)據(jù)調(diào)試。
SDRAM讀寫測試時(shí)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(dāng)中，隨后就可以通過系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯分析器進(jìn)行SDRAM數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)觀察，看其是否與外部寫入的數(shù)據(jù)相一致。本文中的測試要連續(xù)寫入數(shù)據(jù)才能進(jìn)行SDRAM讀寫數(shù)據(jù)的波形對比。此時(shí)要保證數(shù)據(jù)的輸出是連續(xù)的，例如從數(shù)字0到65536的連續(xù)數(shù)據(jù)輸出，只有這樣才能驗(yàn)證SDRAM控制器的性能是否已經(jīng)達(dá)到要求。
3.2 以太網(wǎng)和ATM的測試
要對兩種網(wǎng)絡(luò)類型進(jìn)行測試，就要首先測試8080接口協(xié)議，8080接口數(shù)據(jù)采集的顯示結(jié)果能反映出兩種網(wǎng)絡(luò)類型的性能。通過STM32單片機(jī)和C語言來編寫測試程序并向SDRAM寫入數(shù)據(jù)。對于CRT顯示器來說，最好選擇VGA接口連接，因?yàn)樗萀VDS接口的顯示終端信號(hào)更加穩(wěn)定。所以在整體電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該再為終端設(shè)備增添相應(yīng)的電阻網(wǎng)絡(luò)通道，將VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換為LVDS，這樣CRT顯示器就可以同步顯示教師機(jī)的內(nèi)容了，同時(shí)也能驗(yàn)證STM32單片機(jī)中數(shù)據(jù)運(yùn)行的正確性。
3.3 顯示平臺(tái)測試
在數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)的終端顯示平臺(tái)上運(yùn)行Windows系統(tǒng)，如果系統(tǒng)界面在屏幕上顯示正常，且在具體操作中不會(huì)出現(xiàn)界面的晃動(dòng)和延遲，這就表示系統(tǒng)工作處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本滿足了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
4 結(jié)語
本文中所設(shè)計(jì)的數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)終端顯示平臺(tái)結(jié)合了LVDS發(fā)送技術(shù)、FPGA編程技術(shù)、終端平臺(tái)同步顯示技術(shù)、STM32單片機(jī)控制技術(shù)和SDRAM外部存儲(chǔ)技術(shù)。在這些技術(shù)功能的輔助下，高校的語言教學(xué)變得更加豐富、個(gè)性化、多元化。同時(shí)，這種開放性的教學(xué)環(huán)境也符合當(dāng)今我國對培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)能力、提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主能動(dòng)性的教學(xué)要求，可以說，數(shù)字語言教學(xué)系統(tǒng)是科技與人文思想理念共同進(jìn)步的標(biāo)志。
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