数字语言教学系统中终端显示平台的研究

陈建红

摘要：数字网络技术主导学校语言教学系统是目前中国各级教育机构中外语教学发展的必然趋势。它丰富了高校语言的教学手段，提高了教学中语言的表现力，也满足了学生对语言交流和综合语言能力锻炼等多方面的需求。该文以对高校中数字化语言实验室的阐述作为开端，具体的研究和设计了数字语言教学系统的终端显示平台。

关键词：数字语言教学系统；终端；显示平台

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）09-0121-04

数字语言教学系统是取代传统模拟语言教学系统的新时代产品。它的功能更加灵活和具体，实现了实时通信、自由点播、多通道资源分享、环境模拟等数字化特性，提高并多元化了高校语言教学的视听层次和教学手段，也转变了我国在语言教学方面的传统观念。当然，如此多维度的语言教学模式也为数字语言教学系统中的终端显示平台提出了更多新的要求。

1 高校语言教学模式

1.1 发展

教学模式是基于教学理论而设立的教学活动制度框架。以英语为例，我国多年来在英语教学方面都存在行为主义理论的思想，这种思想对教学方式和硬件条件的制约相当之大。例如传统教学中最为经典的教师单人对多人的讲课记录模式，学生的听讲和记录都是被动的，它并不利于调动学生学习的积极性，严格说这是违背了语言学习规律的，对学生语言实际应用能力的培养也毫无益处；而相对而言，函授教育虽然从科学角度讲是略为先进的远程教育模式，但它的缺点依然是学习者主动性的无从发挥。这两种扼杀了学生创造力和个性的封闭教育模式，已经逐渐不能适应现代教育发展的需求，到了必须更新换代的时候。

进入21世纪，“教学模式应该更注重多维度的个性化学习方式，不应该受到时间和地点的约束而要变得更加主动”，这样的理念已经昭示了课堂教学与网络多媒体相结合的发展方向，网络技术成为语言教学的主导核心已经逐渐成为现实。

1.2 语言教学系统

目前的语言教学系统都是基于校园网络平台而建立的，它充分的利用了校园内部的网络资源，取代了传统模拟语音教学系统，成为了高校语言教学的主流模式。在1993年的美国计算机学会多媒体技术国际会议上，程序委员会主席Rangan就指出：“数字视频与音频技术的进步是计算机与网络界的一场革命，它们为计算机系统的应用和发展开拓了新的设计空间。”这句话充分表明了数字技术与多媒体技术已经走入我国教育领域，已经有了逐渐成为主流的趋势。

总体而言，一套完整的数字语言教学系统应该具备数字音频的压缩编码技术、解码技术，还应该具有网络存储、通讯以及液晶显示等高科技功能，它应该是一套集成多媒体教学的完整体系。教师仅仅利用一台PC和一个控制台，学生方面利用终端设备，就可以让教师通过数字通信功能实现课件运行及设计等操作，还能够直接对学生一方的终端通讯系统进行控制。所有学习资料都可以通过网络渠道进行交换和共享，而经过A/D转换，所需要的音频及视频数据就会通过协议传送给用户终端显示平台。这样的高效智能组合目前已经逐步被运用到了各个高校的数字化语言教学系统之中。

在中国，高校数字语言教学系统主要分为两类：简易的数字语言实验室和网络数字语音室。简易数字语言实验室就是指将模拟语音信号转换为数字信号，它的转化其实是文字与图像信号的数字化转化传输。而网络数字语音室则可以达到文字、视频、音频的全数字信号传输。所以说前者也叫做模拟语言实验室，后者叫做数字语言实验室。另外，网络数字语言实验室的最大特色是网络，目前比较主流的两种网络模式是常见的以太网模式，还有就是ATM网络模式。这两种网络模式都采用了双向的数据交换，所自带的资源库拥有网络共享功能，可以帮助学生实现数码录音、口语考试、模拟听力等等功能，更加利于他们的自主学习。

1.3 数字语言教学系统的结构

大体来说，数字语言教学系统的结构就是一台教师机（包括PC机、控制台、显示设备）以及众多学生终端机。这些机器通过电缆和网线相连，再通过交换机形成最终的局域网络，这样就能够实现教师对多个学生的语言教学功能。如图1。

图1 数字语言教学系统主要结构示意图

如图1所示，学生终端部分主要由视频显示屏幕、语音和输入接口三部分组成，它是师生之间相互交流的主要载体。教师所有的教学内容、资料和命令指示都可以通过此传输给学生终端设备，当然学生也可以将自己的资料和要求通过终端传达给教师，还可以进行语音交流，形成互动。

整个系统的模拟电路采用了可编程逻辑器件来完成模拟信号与数字信号之间的转换传输，而语音数据单独通过语音芯片来编程逻辑电路及时序电路。液晶和键盘部分则由液晶板、键盘以及单片机构成，它们能够实现对键盘的操作、与交换机的通讯、数据的读写存储以及液晶板的显示控制。交换机分为主交换机与次交换机。它为师生之间的学习交流提供信息通道。这些信息数据主要是通过上位机而发出并行进入接口板卡的，最终以差分状态转化为串行数据并传输。数据传输到交换机以后，会进行串行数据到64路数据的转化，分别传送给64个终端（终端设备数量因地而异）。反之，从终端传输出去的数据也会通过交换机进行逆处理传输给教师控制设备。

通常来说，数字语言实验室通过网络的A/D或D/A转换和网络标准协议，在服务器与用户终端之间进行语音资料与视频等数据文件的交换。这样的转换可以帮助教学实现多方面需求，充分的发挥教学效果。而软件系统会结合实际硬件将整个数字语言教学划分为几大模块，比如自主学习模块、资料管理模块、教案制作模块、课堂教学模块、电子考场模块和系统管理模块。

2 数字语言教学系统中终端显示平台的设计

2.1 系统的组成

本文所阐述的数字语言教学系统是基于FPGA（Field-Programmble Gate Array）技术的终端显示平台。FPGA是一种现场可编程的门阵列技术，它起步于PAL、CPLD、GAL等编程器件，是专用集成电路领域中的一种半定制电路。这套终端显示平台体系完全适用于多媒体数字语言教学系统。系统的主要组成部分是教师控制设备、以太网及ATM两种交换机、学生显示终端机。以太网可以进行视频、文字、图像等数据的传输并提供普通的网络服务。ATM交换机则可以传输一些要求具备实时性的数据，比如语音、文本和CAD绘图等等。学生的终端显示平台主要分为处理器和Windows操作系统两部分，它们负责接收来自以太网交换机的视频图像数据。另外还有CPLD模块，它是负责接收并处理来自ATM交换机的语音及文本数据。如图2。

图2 数字语言教学系统整体框架构成示意图

2.2 关于终端显示平台的设计

在数字语言教学系统的终端显示平台中，LVDS发送器、VGA控制器以及SDRAM控制器都能够提高图像帧刷新率。另外FPGA负责大流量数据的异步实时通信，STM32单片则控制显示各种高分辨率图像。如图3。

图3 终端显示平台结构图

如图3所示，通过STM32单片机就可以模拟8080总线接口的读写时序，从而能自定义数据传输协议。本文设计中的模块采用了16位的8080总线接口，其中接口信号有地址数据控制信号A0、读控制信号RE、写控制信号WE、片选信号CE以及16位数据接口。A0数值为0时就表示已经对地址寄存器开始了相应操作，此时每个子寄存器的取值范围在0～8，如果当A0为1，那么就代表寄存器的数据已经写入。

另一方面，由显示控制命令来控制显示器的开关，教师机可以通过一台机器的操作就开关所有分支终端设备。具体细节为写入00H数据时显示器关闭，即模块不再向显示器输出信号，此时显示器会显示无信号。而反之写入数据01H时为打开显示设备。在写命令时，由寄存器向模块发出读写操作命令，即向屏幕连续写入像素点数据。但首先要设置好水平起始位置、垂直起始位置、x方向长度和y方向长度4个寄存器参数，才可以发命令将数据写入屏幕。读命令时，同样通过模块发出读的操作指令，但是读取时有像素的限制，每次只能读取一个像素，只有不断反复操作才能读取多个命令。

2.3 SDRAM控制器

首先要对SDRAM进行初始化才能开始读写。通常它的初始化有4个步骤：输入稳定期200us、L-Bank预充电、模式寄存器设置和八次刷新周期操作。SDRAM要每隔一段时间进行刷新，以确保数据不会丢失。它的工作操作是通过模式寄存器的设定来进行的，其中突发长度、突发类型和CAS延时都是能够影响SDRAM操作的因素。当模式寄存器初始化完毕后，就可以数据访问SDRAM地址展开读写操作。不过，在读写操作前也要保证行地址选通信号RAS、片选信号CS和块地址选择控制信号L-Bank在时钟上升沿到来时的有效性。当行地址确定之后，才可以确定具体的列地址。当行激活有效命令后会将命令发到列地址，这期间的等待时间叫做行地址选通周期，此周期内SDRAM应该处于发空操作命令期间，不需对SDRAM有任何操作。一般来说，行有效命令的发出会有大约22.5ns的延时，但不影响命令的有效性。

总之，在设计SDRAM控制器时，一定要注重状态机控制模块、命令控制模块以及数据控制模块这三个模块的具体应用。它们不但承担了数据编写、读写处理等任务，还起到了缓存衔接、控制数据流向和命令赋值等作用，对整个终端显示平台的正常运转具有积极意义。

2.4 LVDS转换芯片

LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）接口技术是终端显示平台的主要技术，它们实现了CMOS转LVDS接口芯片功能和FPGA编程技术。

首先LVDS发送芯片所采用的是18bit可编程四通道技术，即CMOS数据可以通过4通道的LVDS信号实现数据的传输，而每个传输周期内都能完成21位RGB数据的采集和发送。其次是LVDS IP内核部分，本设计中采用了CycloneIII代的FPGA，此FPGA内部含有LVDS接口，可以采用LVDS IP内核，主要任务就是把FPGA内部的逻辑信号以低压差分信号的形式输出，达到终端显示平台液晶显示器的电路差分接受。CycloneIII代的FPGA要求将I/O管脚按照LVDS的标准进行接口电平配置，这样软件就会自动生成差分正负极，这就解决了LVDS发送器的设计。但要注意的是，LVDS接口的液晶显示器因不同厂家的生产而不同，主要区别在接口的数据排列方式上。所以在设计LVDS发送器时要注意实际液晶显示器的LVDS接收器格式，避免接口不匹配的情况出现。

2.5 FPGA的设计步骤

FPGA一般按照逻辑设计和性能系统应用两方面来设计以满足用户的不同需求。本文中的LVDS内嵌IP内核，还有包括FIFO的IP内核，所以需要大量的M9K资源。另外考虑到FPGA编程的灵活性，则选用了含有40000个LE逻辑单元的CycloneIII代处理器和QuartusII第四代可编程逻辑开发软件平台，它们的组合提高了集成度和设计环境，使FPGA逻辑设计的设计输入、编译、仿真和定时分析等等功能的实际发挥更加自如。

利用Quartus II数字系统开发FPGA的具体流程如下：

1）首先绘制原理图，考虑波形的变化和HDL的输入方式。

2）其次根据实际的设计要求来编译FPGA的编程策略和参数，然后根据这些参数与策略进行逻辑设计，最终能生成所需要的报告文件。

3）在仿真的设计中，要注意时序仿真和功能仿真两种模式。时序仿真的延时信息能够反映芯片在设计中的实际工作情况。功能仿真则是为了验证电路的设计是否达标而存在的。

4）程序在编译完成并验证成功后，就可以进行器件配置和管脚参数的设置了。如图4。

图4 基于Quartus而设计的FPGA设计开发流程示意图

由上文的介绍可得知本次设计的具体方案，即利用CycloneIII处理器的FPGA和SDRAM芯片共同组成操作，用来存储视频、图像、文字等数据。并且利用镶嵌在FPGA内部的LVDS发送器，通过8080接口协议以及ATM网络进行数据转换并再次发送给FPGA，达到对整个系统的数据通信控制，最后实现系统终端显示平台的稳定运行。

3 终端显示平台的最终测试

在数字语言教学系统的终端显示平台上主要包括STM32单片机和FPGA控制台两大模块结构，其中的设计也主要分为硬件和软件两部分。所以尤其考虑到它们运行的稳定性，就要进行测试。比如说SDRAM读写、以太网以及ATM网的切换等功能，通过这些测试最终确定设计方案是否可行。

3.1 SDRAM的读写

SDRAM是整个系统的外部存储器，它要经手所有数据的存储，并在读写之后才可以显示，所以对SDRAM读写功能的测试是最为重要的环节，它的读写稳定关系到了以太网和ATM网的数据调试。

SDRAM读写测试时第一步要用Verilog来编写测试程序，这样做的目的就是为了把程序载入到FPGA芯片当中，随后就可以通过系统内部的逻辑分析器进行SDRAM数据的动态观察，看其是否与外部写入的数据相一致。本文中的测试要连续写入数据才能进行SDRAM读写数据的波形对比。此时要保证数据的输出是连续的，例如从数字0到65536的连续数据输出，只有这样才能验证SDRAM控制器的性能是否已经达到要求。

3.2 以太网和ATM的测试

要对两种网络类型进行测试，就要首先测试8080接口协议，8080接口数据采集的显示结果能反映出两种网络类型的性能。通过STM32单片机和C语言来编写测试程序并向SDRAM写入数据。对于CRT显示器来说，最好选择VGA接口连接，因为它比LVDS接口的显示终端信号更加稳定。所以在整体电路设计时应该再为终端设备增添相应的电阻网络通道，将VGA信号转换为LVDS，这样CRT显示器就可以同步显示教师机的内容了，同时也能验证STM32单片机中数据运行的正确性。

3.3 显示平台测试

在数字语言教学系统的终端显示平台上运行Windows系统，如果系统界面在屏幕上显示正常，且在具体操作中不会出现界面的晃动和延迟，这就表示系统工作处于稳定状态，基本满足了整个系统设计的要求。

4 结语

本文中所设计的数字语言教学系统终端显示平台结合了LVDS发送技术、FPGA编程技术、终端平台同步显示技术、STM32单片机控制技术和SDRAM外部存储技术。在这些技术功能的辅助下，高校的语言教学变得更加丰富、个性化、多元化。同时，这种开放性的教学环境也符合当今我国对培养学生综合素质能力、提高学生学习自主能动性的教学要求，可以说，数字语言教学系统是科技与人文思想理念共同进步的标志。

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