如何用FPGA結合音頻編解碼芯片

1.概敘

WM873l是一款功能強大的低功耗立體聲24位音頻編解碼芯片，其高性能耳機驅動器、低功耗設計、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。其結構框圖如圖1所示。?

WM8731包含2個線路輸入和1路麥克風輸入并可以進行音量調節(jié)；內置片上ADC(模擬數(shù)字轉換器)及可選擇的高通數(shù)字濾波器；采用高品質過采樣率結構的DAC(數(shù)字模擬轉換器)；線路輸出和耳機輸出；內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?？刂破骺赏ㄟ^控制接口(Control InteRFace)對WM8731進行配置，然后通過數(shù)字音頻接口(Digtal Audio Interface)讀寫數(shù)據(jù)音頻信號。本文設計了一種基于FPGA的驅動模塊，將WM8731的控制接口與數(shù)字音頻接口轉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芯片驅動的FPGA設計?

3.1 驅動器的總體設計方案?

本文設計驅動器在使用時的框圖如圖4所示。雙口RAM和驅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。?



驅動器內部結構框圖如圖5所示?？刂撇糠痔峁寗悠髋c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)，同時產生控制字轉換單元和數(shù)字音頻接口單元的控制信號；內部寄存器緩存控制字和狀態(tài)字；控制字轉化單元負責將控制字串行發(fā)送給WM8731，同時效驗傳送信號；數(shù)據(jù)音頻接口單元完成WM8731與外部雙口RAM的串并轉換，實現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的發(fā)送和接收功能。?








表l 狀態(tài)寄存器控制字的對應定義??


3.2.2?
控制字轉換單元?

當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?

當讀入數(shù)字音頻標志位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，當輸出數(shù)字音頻數(shù)據(jù)標志位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 語?

利用FPGA對音頻編解碼芯片WM8731進行接口電路的設計，實現(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，具有擴展性好、使用簡單方便、易于升級等優(yōu)點，對其他芯片的接口設計也有一定的參考意義。??