數(shù)字語言教學系統(tǒng)中終端顯示平臺的研究

陳建紅

摘要：數(shù)字網(wǎng)絡技術主導學校語言教學系統(tǒng)是目前中國各級教育機構中外語教學發(fā)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(xiàn)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(shù)字化語言實驗室的闡述作為開端，具體的研究和設計了數(shù)字語言教學系統(tǒng)的終端顯示平臺。

關鍵詞：數(shù)字語言教學系統(tǒng)；終端；顯示平臺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0121-04

數(shù)字語言教學系統(tǒng)是取代傳統(tǒng)模擬語言教學系統(tǒng)的新時代產品。它的功能更加靈活和具體，實現(xiàn)了實時通信、自由點播、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(tǒng)觀念。當然，如此多維度的語言教學模式也為數(shù)字語言教學系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)教學中最為經(jīng)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(guī)律的，對學生語言實際應用能力的培養(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(fā)揮。這兩種扼殺了學生創(chuàng)造力和個性的封閉教育模式，已經(jīng)逐漸不能適應現(xiàn)代教育發(fā)展的需求，到了必須更新?lián)Q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(jīng)昭示了課堂教學與網(wǎng)絡多媒體相結合的發(fā)展方向，網(wǎng)絡技術成為語言教學的主導核心已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實。

1.2 語言教學系統(tǒng)

目前的語言教學系統(tǒng)都是基于校園網(wǎng)絡平臺而建立的，它充分的利用了校園內部的網(wǎng)絡資源，取代了傳統(tǒng)模擬語音教學系統(tǒng)，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(shù)字視頻與音頻技術的進步是計算機與網(wǎng)絡界的一場革命，它們?yōu)橛嬎銠C系統(tǒng)的應用和發(fā)展開拓了新的設計空間?！边@句話充分表明了數(shù)字技術與多媒體技術已經(jīng)走入我國教育領域，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)字語言教學系統(tǒng)應該具備數(shù)字音頻的壓縮編碼技術、解碼技術，還應該具有網(wǎng)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(shù)字通信功能實現(xiàn)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(tǒng)進行控制。所有學習資料都可以通過網(wǎng)絡渠道進行交換和共享，而經(jīng)過A/D轉換，所需要的音頻及視頻數(shù)據(jù)就會通過協(xié)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(jīng)逐步被運用到了各個高校的數(shù)字化語言教學系統(tǒng)之中。

在中國，高校數(shù)字語言教學系統(tǒng)主要分為兩類：簡易的數(shù)字語言實驗室和網(wǎng)絡數(shù)字語音室。簡易數(shù)字語言實驗室就是指將模擬語音信號轉換為數(shù)字信號，它的轉化其實是文字與圖像信號的數(shù)字化轉化傳輸。而網(wǎng)絡數(shù)字語音室則可以達到文字、視頻、音頻的全數(shù)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(shù)字語言實驗室。另外，網(wǎng)絡數(shù)字語言實驗室的最大特色是網(wǎng)絡，目前比較主流的兩種網(wǎng)絡模式是常見的以太網(wǎng)模式，還有就是ATM網(wǎng)絡模式。這兩種網(wǎng)絡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)絡共享功能，可以幫助學生實現(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習。

1.3 數(shù)字語言教學系統(tǒng)的結構

大體來說，數(shù)字語言教學系統(tǒng)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(wǎng)線相連，再通過交換機形成最終的局域網(wǎng)絡，這樣就能夠實現(xiàn)教師對多個學生的語言教學功能。如圖1。

圖1 數(shù)字語言教學系統(tǒng)主要結構示意圖

如圖1所示，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(tǒng)的模擬電路采用了可編程邏輯器件來完成模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換傳輸，而語音數(shù)據(jù)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(xiàn)對鍵盤的操作、與交換機的通訊、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)主要是通過上位機而發(fā)出并行進入接口板卡的，最終以差分狀態(tài)轉化為串行數(shù)據(jù)并傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇粨Q機以后，會進行串行數(shù)據(jù)到64路數(shù)據(jù)的轉化，分別傳送給64個終端（終端設備數(shù)量因地而異）。反之，從終端傳輸出去的數(shù)據(jù)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(shù)字語言實驗室通過網(wǎng)絡的A/D或D/A轉換和網(wǎng)絡標準協(xié)議，在服務器與用戶終端之間進行語音資料與視頻等數(shù)據(jù)文件的交換。這樣的轉換可以幫助教學實現(xiàn)多方面需求，充分的發(fā)揮教學效果。而軟件系統(tǒng)會結合實際硬件將整個數(shù)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(tǒng)管理模塊。

2 數(shù)字語言教學系統(tǒng)中終端顯示平臺的設計

2.1 系統(tǒng)的組成

本文所闡述的數(shù)字語言教學系統(tǒng)是基于FPGA（Field-Programmble Gate Array）技術的終端顯示平臺。FPGA是一種現(xiàn)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(shù)字語言教學系統(tǒng)。系統(tǒng)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、學生顯示終端機。以太網(wǎng)可以進行視頻、文字、圖像等數(shù)據(jù)的傳輸并提供普通的網(wǎng)絡服務。ATM交換機則可以傳輸一些要求具備實時性的數(shù)據(jù)，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(tǒng)兩部分，它們負責接收來自以太網(wǎng)交換機的視頻圖像數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。如圖2。

圖2 數(shù)字語言教學系統(tǒng)整體框架構成示意圖

2.2 關于終端顯示平臺的設計

在數(shù)字語言教學系統(tǒng)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(shù)據(jù)的異步實時通信，STM32單片則控制顯示各種高分辨率圖像。如圖3。

圖3 終端顯示平臺結構圖

如圖3所示，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(shù)據(jù)傳輸協(xié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接口。A0數(shù)值為0時就表示已經(jīng)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(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，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(jié)為寫入00H數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)01H時為打開顯示設備。在寫命令時，由寄存器向模塊發(fā)出讀寫操作命令，即向屏幕連續(xù)寫入像素點數(shù)據(jù)。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(shù)，才可以發(fā)命令將數(shù)據(jù)寫入屏幕。讀命令時，同樣通過模塊發(fā)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(wěn)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(shù)據(jù)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(fā)長度、突發(fā)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(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(fā)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(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(tài)機控制模塊、命令控制模塊以及數(shù)據(jù)控制模塊這三個模塊的具體應用。它們不但承擔了數(shù)據(jù)編寫、讀寫處理等任務，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(xiàn)了CMOS轉LVDS接口芯片功能和FPGA編程技術。

首先LVDS發(fā)送芯片所采用的是18bit可編程四通道技術，即CMOS數(shù)據(jù)可以通過4通道的LVDS信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而每個傳輸周期內都能完成21位RGB數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。其次是LVDS IP內核部分，本設計中采用了CycloneIII代的FPGA，此FPGA內部含有LVDS接口，可以采用LVDS IP內核，主要任務就是把FPGA內部的邏輯信號以低壓差分信號的形式輸出，達到終端顯示平臺液晶顯示器的電路差分接受。CycloneIII代的FPGA要求將I/O管腳按照LVDS的標準進行接口電平配置，這樣軟件就會自動生成差分正負極，這就解決了LVDS發(fā)送器的設計。但要注意的是，LVDS接口的液晶顯示器因不同廠家的生產而不同，主要區(qū)別在接口的數(shù)據(jù)排列方式上。所以在設計LVDS發(fā)送器時要注意實際液晶顯示器的LVDS接收器格式，避免接口不匹配的情況出現(xiàn)。

2.5 FPGA的設計步驟

FPGA一般按照邏輯設計和性能系統(tǒng)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(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、仿真和定時分析等等功能的實際發(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)實際的設計要求來編譯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(shù)的設置了。如圖4。

圖4 基于Quartus而設計的FPGA設計開發(fā)流程示意圖

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(shù)據(jù)。并且利用鑲嵌在FPGA內部的LVDS發(fā)送器，通過8080接口協(xié)議以及ATM網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉換并再次發(fā)送給FPGA，達到對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信控制，最后實現(xiàn)系統(tǒng)終端顯示平臺的穩(wěn)定運行。

3 終端顯示平臺的最終測試

在數(shù)字語言教學系統(tǒng)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(wěn)定性，就要進行測試。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計方案是否可行。

3.1 SDRAM的讀寫

SDRAM是整個系統(tǒng)的外部存儲器，它要經(jīng)手所有數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)，它的讀寫穩(wěn)定關系到了以太網(wǎng)和ATM網(wǎng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)內部的邏輯分析器進行SDRAM數(shù)據(jù)的動態(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)才能進行SDRAM讀寫數(shù)據(jù)的波形對比。此時要保證數(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)絡類型進行測試，就要首先測試8080接口協(xié)議，8080接口數(shù)據(jù)采集的顯示結果能反映出兩種網(wǎng)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(shù)據(jù)。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(wěn)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(wǎng)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(shù)據(jù)運行的正確性。

3.3 顯示平臺測試

在數(shù)字語言教學系統(tǒng)的終端顯示平臺上運行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出現(xiàn)界面的晃動和延遲，這就表示系統(tǒng)工作處于穩(wěn)定狀態(tài)，基本滿足了整個系統(tǒng)設計的要求。

4 結語

本文中所設計的數(shù)字語言教學系統(tǒng)終端顯示平臺結合了LVDS發(fā)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(huán)境也符合當今我國對培養(yǎng)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(shù)字語言教學系統(tǒng)是科技與人文思想理念共同進步的標志。

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