關於數字語言教學系統的研究論文
關於數字語言教學系統的研究論文
摘要：數字網路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鍊等多方面的需求。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，實現了實時通訊、自由點播、多通道資源分享、環境模擬等數字化特性，提高並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
教學模式是基於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體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，它並不利於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端教育模式，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路多媒體相結合的發展方向，網路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於校園網路平臺而建立的，它充分的利用了校園內部的網路資源，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，程式委員會主席Rangan就指出：“數字影片與音訊技術的進步是計算機與網路界的.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訊的壓縮編碼技術、解碼技術，還應該具有網路儲存、通訊以及液晶顯示等高科技功能，它應該是一套整合多媒體教學的完整體系。教師僅僅利用一臺PC和一個控制檯，學生方面利用終端裝置，就可以讓教師透過數字通訊功能實現課件執行及設計等操作，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透過網路渠道進行交換和共享，而經過A/D轉換，所需要的音訊及影片資料就會透過協議傳送給使用者終端顯示平臺。這樣的高效智慧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路數字語音室。簡易數字語言實驗室就是指將模擬語音訊號轉換為數字訊號，它的轉化其實是文字與影象訊號的數字化轉化傳輸。而網路數字語音室則可以達到文字、影片、音訊的全數字訊號傳輸。所以說前者也叫做模擬語言實驗室，後者叫做數字語言實驗室。另外，網路數字語言實驗室的最大特色是網路，目前比較主流的兩種網路模式是常見的乙太網模式，還有就是ATM網路模式。這兩種網路模式都採用了雙向的資料交換，所自帶的資源庫擁有網路共享功能，可以幫助學生實現數碼錄音、口語考試、模擬聽力等等功能，更加利於他們的自主學習。
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、控制檯、顯示裝置）以及眾多學生終端機。這些機器透過電纜和網線相連，再透過交換機形成最終的區域網絡，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影片顯示螢幕、語音和輸入介面三部分組成，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透過此傳輸給學生終端裝置，當然學生也可以將自己的資料和要求透過終端傳達給教師，還可以進行語音交流，形成互動。
整個系統的類比電路採用了可程式設計邏輯器件來完成模擬訊號與數字訊號之間的轉換傳輸，而語音資料單獨透過語音晶片來程式設計邏輯電路及時序電路。液晶和鍵盤部分則由液晶板、鍵盤以及微控制器構成，它們能夠實現對鍵盤的操作、與交換機的通訊、資料的讀寫儲存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資訊通道。這些資訊資料主要是透過上位機而發出並行進入介面板卡的，最終以差分狀態轉化為序列資料並傳輸。資料傳輸到交換機以後，會進行序列資料到64路資料的轉化，分別傳送給64個終端（終端裝置數量因地而異）。反之，從終端傳輸出去的資料也會透過交換機進行逆處理傳輸給教師控制裝置。
通常來說，數字語言實驗室透過網路的A/D或D/A轉換和網路標準協議，在伺服器與使用者終端之間進行語音資料與影片等資料檔案的交換。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。而軟體系統會結合實際硬體將整個數字語言教學劃分為幾大模組，比如自主學習模組、資料管理模組、教案製作模組、課堂教學模組、電子考場模組和系統管理模組。
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於FPGA（Field-Programmble Gate Array）技術的終端顯示平臺。FPGA是一種現場可程式設計的門陣列技術，它起步於PAL、CPLD、GAL等程式設計器件，是專用積體電路領域中的一種半定製電路。這套終端顯示平臺體系完全適用於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裝置、乙太網及ATM兩種交換機、學生顯示終端機。乙太網可以進行影片、文字、影象等資料的傳輸並提供普通的網路服務。ATM交換機則可以傳輸一些要求具備實時性的資料，比如語音、文字和CAD繪圖等等。學生的終端顯示平臺主要分為處理器和Windows作業系統兩部分，它們負責接收來自乙太網交換機的影片影象資料。另外還有CPLD模組，它是負責接收並處理來自ATM交換機的語音及文字資料。
2.2 關於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傳送器、VGA控制器以及SDRAM控制器都能夠提高影象幀重新整理率。另外FPGA負責大流量資料的非同步實時通訊，STM32單片則控制顯示各種高解析度影象。
透過STM32微控制器就可以模擬8080匯流排介面的讀寫時序，從而能自定義資料傳輸協議。本文設計中的模組採用了16位的8080匯流排介面，其中介面訊號有地址資料控制訊號A0、讀控制訊號RE、寫控制訊號WE、片選訊號CE以及16位資料介面。A0數值為0時就表示已經對地址暫存器開始了相應操作，此時每個子暫存器的取值範圍在0～8，如果當A0為1，那麼就代表暫存器的資料已經寫入。
另一方面，由顯示控制命令來控制顯示器的開關，教師機可以透過一臺機器的操作就開關所有分支終端裝置。具體細節為寫入00H資料時顯示器關閉，即模組不再向顯示器輸出訊號，此時顯示器會顯示無訊號。而反之寫入資料01H時為開啟顯示裝置。在寫命令時，由暫存器向模組發出讀寫操作命令，即向螢幕連續寫入畫素點資料。但首先要設定好水平起始位置、垂直起始位置、x方向長度和y方向長度4個暫存器引數，才可以發命令將資料寫入螢幕。讀命令時，同樣透過模組發出讀的操作指令，但是讀取時有畫素的限制，每次只能讀取一個畫素，只有不斷反覆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、模式暫存器設定和八次重新整理週期操作。SDRAM要每隔一段時間進行重新整理，以確保資料不會丟失。它的工作操作是透過模式暫存器的設定來進行的，其中突發長度、突發型別和CAS延時都是能夠影響SDRAM操作的因素。當模式暫存器初始化完畢後，就可以資料訪問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訊號RAS、片選訊號CS和塊地址選擇控制訊號L-Bank在時鐘上升沿到來時的有效性。當行地址確定之後，才可以確定具體的列地址。當行啟用有效命令後會將命令發到列地址，這期間的等待時間叫做行地址選通週期，此週期內SDRAM應該處於發空操作命令期間，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組、命令控制模組以及資料控制模組這三個模組的具體應用。它們不但承擔了資料編寫、讀寫處理等任務，還起到了快取銜接、控制資料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轉換晶片
LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）介面技術是終端顯示平臺的主要技術，它們實現了CMOS轉LVDS介面晶片功能和FPGA程式設計技術。
2.5 FPGA的設計步驟
FPGA一般按照邏輯設計和效能系統應用兩方面來設計以滿足使用者的不同需求。本文中的LVDS內嵌IP核心，還有包括FIFO的IP核心，所以需要大量的M9K資源。另外考慮到FPGA程式設計的靈活性，則選用了含有40000個LE邏輯單元的CycloneIII代處理器和QuartusII第四代可程式設計邏輯開發軟體平臺，它們的組合提高了整合度和設計環境，使FPGA邏輯設計的設計輸入、編譯、模擬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）首先繪製原理圖，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的程式設計策略和引數，然後根據這些引數與策略進行邏輯設計，最終能生成所需要的報告檔案。
3）在模擬的設計中，要注意時序模擬和功能模擬兩種模式。時序模擬的延時資訊能夠反映晶片在設計中的實際工作情況。功能模擬則是為了驗證電路的設計是否達標而存在的。
4）程式在編譯完成並驗證成功後，就可以進行器件配置和管腳引數的設定了。
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晶片共同組成操作，用來儲存影片、影象、文字等資料。並且利用鑲嵌在FPGA內部的LVDS傳送器，透過8080介面協議以及ATM網路進行資料轉換並再次傳送給FPGA，達到對整個系統的資料通訊控制，最後實現系統終端顯示平臺的穩定執行。
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微控制器和FPGA控制檯兩大模組結構，其中的設計也主要分為硬體和軟體兩部分。所以尤其考慮到它們執行的穩定性，就要進行測試。比如說SDRAM讀寫、乙太網以及ATM網的切換等功能，透過這些測試最終確定設計方案是否可行。
3.1 SDRAM的讀寫
SDRAM是整個系統的外部儲存器，它要經手所有資料的儲存，並在讀寫之後才可以顯示，所以對SDRAM讀寫功能的測試是最為重要的環節，它的讀寫穩定關係到了乙太網和ATM網的資料除錯。
SDRAM讀寫測試時第一步要用Verilog來編寫測試程式，這樣做的目的就是為了把程式載入到FPGA晶片當中，隨後就可以透過系統內部的邏輯分析器進行SDRAM資料的動態觀察，看其是否與外部寫入的資料相一致。本文中的測試要連續寫入資料才能進行SDRAM讀寫資料的波形對比。此時要保證資料的輸出是連續的，例如從數字0到65536的連續資料輸出，只有這樣才能驗證SDRAM控制器的效能是否已經達到要求。
3.2 乙太網和ATM的測試
要對兩種網路型別進行測試，就要首先測試8080介面協議，8080介面資料採集的顯示結果能反映出兩種網路型別的效能。透過STM32微控制器和C語言來編寫測試程式並向SDRAM寫入資料。對於CRT顯示器來說，最好選擇VGA介面連線，因為它比LVDS介面的顯示終端訊號更加穩定。所以在整體電路設計時應該再為終端裝置增添相應的電阻網路通道，將VGA訊號轉換為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微控制器中資料執行的正確性。
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執行Windows系統，如果系統介面在螢幕上顯示正常，且在具體操作中不會出現介面的晃動和延遲，這就表示系統工作處於穩定狀態，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傳送技術、FPGA程式設計技術、終端平臺同步顯示技術、STM32微控制器控制技術和SDRAM外部儲存技術。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誌。
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