基于FPGA的音頻編解碼芯片接口設(shè)計(jì)

摘 要：24位立體聲音頻編解碼芯片WM8731因其高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)在很多音頻產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。介紹了其基于FPGA的接口電路的設(shè)計(jì)，包括芯片配置模塊與音頻數(shù)據(jù)接口模塊等，使得控制器只通過寄存器就可以方便地對其進(jìn)行操作，而不需要考慮其接口電路復(fù)雜的時鐘時序問題，從而有效地降低了利用此芯片的難度。整個設(shè)計(jì)以VHDL和Verilog HDL語言在Max+Plus Ⅱ里實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明能滿足使用者的要求且操作簡單。對其他編解碼芯片的接口設(shè)計(jì)也有一定的參考作用。
關(guān)鍵詞：WM8731；FPGA；接口設(shè)計(jì)；音頻編解碼芯片

1 概 述
    WM873l是一款功能強(qiáng)大的低功耗立體聲24位音頻編解碼芯片，其高性能耳機(jī)驅(qū)動器、低功耗設(shè)計(jì)、可控采樣頻率、可選擇的濾波器使得WM8731芯片廣泛使用于便攜式MP3，CD，PDA的場合。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    WM8731包含2個線路輸入和1路麥克風(fēng)輸入并可以進(jìn)行音量調(diào)節(jié)；內(nèi)置片上ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)及可選擇的高通數(shù)字濾波器；采用高品質(zhì)過采樣率結(jié)構(gòu)的DAC(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)；線路輸出和耳機(jī)輸出；內(nèi)置晶體振蕩器以及可配置的數(shù)字音頻接口和2或3線可選的微處理器控制接口等。控制器可通過控制接口(Control Interface)對WM8731進(jìn)行配置，然后通過數(shù)字音頻接口(Digtal Audio Interface)讀寫數(shù)據(jù)音頻信號。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的驅(qū)動模塊，將WM8731的控制接口與數(shù)字音頻接口轉(zhuǎn)換為控制器通用的總線接口，使控制器可以像讀寫外部寄存器一樣對WM8731芯片進(jìn)行控制使用。

2 WM8731芯片接口時序介紹
2.1 控制接口時序
    WM8731的控制接口有4根引腳，分別為：MODE(控制接口選擇線)、CSB(片選或地址選擇線)、SDIN(數(shù)據(jù)輸入線)和SCLK(時鐘輸入線)。它具有2線和3線兩種模式。2線為MPU接口，3線為兼容SPI接口。對控制接口的配置選擇可通過設(shè)置MODE腳的狀態(tài)完成。選擇MODE為0時為2線模式，1時為3線模式。本文采用2線模式對WM8731進(jìn)行控制。其時序圖如圖2所示。

2.2 數(shù)字音頻接口時序
    WM8731的數(shù)字音頻接口有5根引腳，分別為：BCLK(數(shù)字音頻位時鐘)、DACDAT(DAC數(shù)字音頻數(shù)據(jù)輸入)、DACIRC(DAC采樣左/右聲道信號)、ADC－DAT(ADC數(shù)字音頻信號輸出)、ADCLRC(ADC采樣左/右聲道信號)。
    數(shù)字音頻接口可以工作在主模式和從模式下。地址為0000111的寄存器的第6位設(shè)置數(shù)據(jù)的主/從模式：“1”為主模式，“0”為從模式。ADCDAT、/DACDAI和ADCLRC/DACLRC與位時鐘BCIK同步，在每個BCLK的下降沿進(jìn)行一次傳輸。BCLK和ADCLRC/DACLRC在主模式時為輸出信號，從模式下為輸入信號。DAC－DAT始終為輸入信號，ADCDAT始終為輸出信號。
    數(shù)字輸出支持4種音頻數(shù)據(jù)模式：右對齊、左對齊、I2S和DSP模式。通過對寄存器的不同配置，可以設(shè)置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。寄存器配置值如下：
    寄存器地址0000111的1～0位設(shè)置音頻格式：“11”時為DSF’格式，“10”為I2S格式，“01”為左對齊格式，“00'’為右對齊格式。
    3～2位設(shè)置字長：“11”時為32位，“10”為24位，“01”為20位，“00'’為16位。
    這四種音頻格式都是高位(MSB)在前，16～32位。但32位數(shù)據(jù)不支持右對齊模式。
    本文采用主模式的左對齊數(shù)據(jù)格式，左對齊數(shù)據(jù)格式傳輸如圖3：左對齊格式時，MSB在BCLK的第一個上升沿有效，緊接著是一個ADCLRC或DACLRC傳輸。

3 WM8731芯片驅(qū)動的FPGA設(shè)計(jì)
3.1 驅(qū)動器的總體設(shè)計(jì)方案
    本文設(shè)計(jì)驅(qū)動器在使用時的框圖如圖4所示。雙口RAM和驅(qū)動器一同連接在控制器的數(shù)據(jù)總線和地址總線上，控制器只需提供少量的控制線即可完成對音頻編解碼芯片wM8731的控制及數(shù)據(jù)交換功能。

    驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示?？刂撇糠痔峁?qū)動器與控制器之間的接口(包含有數(shù)據(jù)總線信號、地址總線信號和控制信號)，同時產(chǎn)生控制字轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字音頻接口單元的控制信號；內(nèi)部寄存器緩存控制字和狀態(tài)字；控制字轉(zhuǎn)化單元負(fù)責(zé)將控制字串行發(fā)送給WM8731，同時效驗(yàn)傳送信號；數(shù)據(jù)音頻接口單元完成WM8731與外部雙口RAM的串并轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的發(fā)送和接收功能。

    驅(qū)

    表l 狀態(tài)寄存器控制字的對應(yīng)定義

3.2.2 控制字轉(zhuǎn)換單元
    當(dāng)START控制位置‘1’時，將控制字寄存器中的數(shù)據(jù)串行發(fā)送給WM8731，當(dāng)傳輸出現(xiàn)錯誤時，將狀態(tài)寄存器中的ACK位置1。如圖6所示。

3.2.3 數(shù)字音頻接口單元
    當(dāng)讀入數(shù)字音頻標(biāo)志位C1為‘1’，接收WM873l芯片傳來的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)并將其存入外部雙口RAM中，當(dāng)輸出數(shù)字音頻數(shù)據(jù)標(biāo)志位C2為‘1’時，將雙口RAM中的音頻數(shù)據(jù)發(fā)送給wM8731。如圖7所示。

3.3 系統(tǒng)仿真
    下面給出控制器通過該驅(qū)動模塊對WM8731寫控制字的時序仿真如圖8所示。圖中各引腳定義如表2所示。

4 結(jié) 語
    利用FPGA對音頻編解碼芯片WM8731進(jìn)行接口電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制接口與數(shù)字音頻接口的統(tǒng)一控制，簡化了對音頻編解碼芯片WM8731的使用步驟，具有擴(kuò)展性好、使用簡單方便、易于升級等優(yōu)點(diǎn)，對其他芯片的接口設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。