基于CoolRunner CPLD的MP3應(yīng)用開發(fā)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

       便攜式MP3播放器作為一種集音頻播放、數(shù)據(jù)存儲為一身的數(shù)碼產(chǎn)品，其功能結(jié)構(gòu)為電子設(shè)計(jì)人員所津津樂道。新功能的MP3播放器不斷地更新?lián)Q代。為了滿足MP3播放器功能新增的需求，我們設(shè)計(jì)了一套基于CoolRunner CPLD的軟硬件開發(fā)系統(tǒng)，制作相應(yīng)開發(fā)板，探索了一種快速實(shí)現(xiàn)的方案。

       MP3應(yīng)用開發(fā)板的選型和設(shè)計(jì)

       主控模塊芯片及其外圍器件

       XCR3256是Xilinx公司開發(fā)的CoolRuner CPLD芯片，可實(shí)現(xiàn)6000門的數(shù)字邏輯電路，內(nèi)嵌256個(gè)宏單元，支持4個(gè)全局時(shí)鐘，具有低功耗、可快速ISP、延時(shí)可預(yù)測等特點(diǎn)，可滿足MP3功能和數(shù)碼產(chǎn)品方面的一些特殊要求，我們選用XCR3256芯片實(shí)現(xiàn)M P3主控模塊。該主控模塊用于對各外圍器件的控制，協(xié)調(diào)各外圍器件的工作。外圍器件主要有解碼芯片組（MAS3507D和DAC3550A）、Flash存儲器、LCD、USB接口、并口等。主控模塊與各外圍器件的框圖如圖1所示。

圖1  MP3應(yīng)用開發(fā)板結(jié)構(gòu)框圖

       主控邏輯單元是整個(gè)主控模塊的核心部分，決定著MP3播放器各功能，如播放、快進(jìn)、下載之間的優(yōu)先度和順序，為其他邏輯單元提供實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜操作的控制信號。主控邏輯單元通過狀態(tài)機(jī)對其他模塊進(jìn)行控制，其狀態(tài)機(jī)如圖2所示，該圖詳細(xì)地描述了MP3播放器不同工作階段的操作條件和各階段之間的切換情況。

       特別需要說明的是：①LOW_PWR使DAC3550A工作在低功率模式下；②IDLE是播放與下載、快進(jìn)、后退等操作之間的轉(zhuǎn)換狀態(tài)；③UPDATE_TRACK將歌曲曲目更新，并傳遞給LCD顯示。

圖2　主控邏輯單元狀態(tài)機(jī)

       DAC3550A是一款專為音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有低功耗操作模式，連續(xù)采樣頻率從8KHz到50KHz均可自主選擇，這就給設(shè)計(jì)帶來了極大的靈活性；還提供了簡潔的I2S總線接口和I2C總線接口，主控模塊正是通過I2C總線對DAC3550A三個(gè)寄存器AVOL（16bits）、GCFG（8bits）、SR_REG（8bits）寫入相應(yīng)命令而實(shí)現(xiàn)控制的。DAC3550A接口電路圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3  DAC3550A接口電路圖

       MAS3507D可實(shí)現(xiàn)2階或3階的MPEG音頻解碼功能，內(nèi)嵌的功率管理器可降低低采樣頻率時(shí)的功率，并可以在芯片閑置時(shí)將其暫時(shí)斷電（power off）。該芯片還可以對音效進(jìn)行調(diào)整，以滿足用戶不同需求；為輸出音頻數(shù)據(jù)而提供的I2S總線端口使MAS3507D和DAC3550A的連線更加簡潔方便。MAS3507D是通過給主控模塊的反饋實(shí)現(xiàn)對DAC3550A輸入控制的，MAS3507D DC/DC轉(zhuǎn)換接口電路如圖4所示。

圖4　MAS3507D DC/DC轉(zhuǎn)換接口電路

       開發(fā)板工作流程

       MP3應(yīng)用開發(fā)板的工作流程為：

       上電→提取用戶命令→讀存儲器→將MP3音頻文件送至MAS3507D進(jìn)行解碼→解碼后的數(shù)字信號經(jīng)DAC3550A數(shù)模轉(zhuǎn)換→模擬信號輸入耳機(jī)。

       性能設(shè)計(jì)

       設(shè)計(jì)過程中，為滿足今后功能擴(kuò)展及增強(qiáng)開發(fā)平臺系列化的需要，我們對開發(fā)板的功能布局做了很多調(diào)整。

       我們將CoolRunner芯片與解碼芯片組連接的引腳設(shè)計(jì)成插針形式，可及時(shí)更新和選用新的解碼芯片組，而解碼芯片組決定著MP3播放器所能播放音頻文件的格式及音質(zhì)。低功耗是MP3播放器追求的一項(xiàng)重要指標(biāo)，開發(fā)板中選用的XRC256XL芯片及解碼芯片組（MAS3507D和DAC3550A）均滿足了低功耗的要求。

       布線要點(diǎn)

       MP3應(yīng)用開發(fā)板的設(shè)計(jì)軟件我們選用ProtelDXP。在布線時(shí)，我們注意到一些問題，如I2C總線在高電平時(shí)對串?dāng)_和干擾的高度敏感性要求在總線或帶狀傳輸線超過10cm并且包含VDD和VSS時(shí)，布線必須按SDA、VDD、VSS和SCL從上到下的順序進(jìn)行；對MAS3507D和DAC3550A之間負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎2S總線應(yīng)盡量減少布線長度，并且避免周圍信號線的干擾。

       MP3應(yīng)用開發(fā)板的調(diào)試

       我們設(shè)計(jì)了一個(gè)描述MP3主控模塊的IP Core，特別注意到了USB端口的下載功能及歌詞與音頻的同步顯示功能。

       調(diào)試環(huán)境

       仿真和綜合過程中，我們使用的EDA工具有：Xilinx公司開發(fā)的ISE 6.2，Synplicity公司的Synplify Pro7.3以及Mentor Graphics公司的Modelsim SE5.7e。

       調(diào)試流程

       關(guān)鍵的測試流程如下：

       (1)在ISE6.2下將修改后的IP Core編譯通過，編寫測試文件。用Modelsim SE5.7e進(jìn)行功能仿真。該測試文件比較全面地考慮了實(shí)際情況，例如對I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL增加了上拉模塊PULLUP，以模擬實(shí)際中上拉電阻對I2C總線的上拉作用。該測試文件很好地模擬了主控模塊對各外圍器件的控制，全面反映了開發(fā)板的工作情況，并且是在硬件制作完成之前就對主控模塊進(jìn)行功能和時(shí)序上的仿真驗(yàn)證，除了證明了源代碼功能上的正確性和時(shí)序上的精確性，同時(shí)還大大縮短了設(shè)計(jì)周期。        

       (2)調(diào)用Synplify Pro7.3對MP3主控模塊的源代碼進(jìn)行綜合，生成網(wǎng)表文件及布局布線約束文件等。

       (3)利用ISE 6.2將網(wǎng)表中的邏輯符號門組裝到物理元件(CLB和IOB)中，并將元件放置到器件中進(jìn)行連接，同時(shí)提取出時(shí)序數(shù)據(jù)并生成各種報(bào)告。

       (4)利用在布局布線中獲得的精確參數(shù)再次驗(yàn)證電路的時(shí)序，調(diào)用Modelsim SE5.7e進(jìn)行后仿真。

       (5)燒寫驗(yàn)證。編寫UCF（User Constraints File）文件mp3.ucf，設(shè)置好全局約束、端口約束等，然后使用ISE集成的配置工具iMPACT，生成PROM格式的配置文件，再將其通過JTAG端口下載至自行設(shè)計(jì)成功的MP3應(yīng)用開發(fā)板。在MP3音頻文件被下載至FLASH存儲器后，就可以對該IP Core進(jìn)行調(diào)試。經(jīng)調(diào)試，我們所預(yù)期的功能如播放、快進(jìn)、后退、靜音等，均得到的實(shí)現(xiàn)，表明調(diào)試成功。

       結(jié)語

       本文介紹了基于CoolRunner CPLD的MP3應(yīng)用開發(fā)板的設(shè)計(jì)流程，驗(yàn)證了利用現(xiàn)有IP Core設(shè)計(jì)的可行性和高效性。在設(shè)計(jì)過程中，硬件（實(shí)驗(yàn)評估板）的設(shè)計(jì)和基于IP Core的算法設(shè)計(jì)可同步進(jìn)行，避免了兩者因異步帶來的設(shè)計(jì)周期的延長。實(shí)踐證明本文的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法是一種靈活、快速、可靠地開發(fā)數(shù)字系統(tǒng)平臺的設(shè)計(jì)方案。

       參考文獻(xiàn)：

       1.  王誠，薛小剛，鐘信潮  FPGA/CPLD設(shè)計(jì)工具─Xilinx ISE5.x使用詳解，人民郵電出版社，2003.
       2.  金西  VHDL與復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.