基于FPGA和AD1836的I2S接口設(shè)計(jì)
引 言
AD1836是ADI公司新推出的一款高性能的單片聲碼器，適用于數(shù)字音頻系統(tǒng)。它采用5V供電，數(shù)字接口輸入輸出電平為LVTTL電平，可以直接和一般的FPGA連接。AD1836集成了3路立體的D/A和兩路立體的A/D，參考電壓為2.25V，為了降低信號的干擾，模擬信號的輸入輸出均采用差分的形式，輸入輸出模擬信號的最大峰峰值為5.6V。系統(tǒng)時(shí)鐘為12.288MHz，數(shù)據(jù)采樣率最高為96kHz，采樣位數(shù)最高為24位，可以通過SPI口方便地對內(nèi)部功能寄存器進(jìn)行配置，從而選擇相應(yīng)的功能，例如：時(shí)鐘、工作模式、采樣率、采樣位數(shù)、工作A/D和D/A的路數(shù)等選擇。其中A/D和D/A的數(shù)字接口可以配置為I2S接口模式，本文主要以AD1836中的D/A為例介紹I2S接口的設(shè)計(jì)。
I2S總線協(xié)議簡介
I2S（Inter IC Sound Bus）是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，它既規(guī)定了硬件接口規(guī)范，也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。I2S有三個(gè)主要的信號：
（1）串行時(shí)鐘BCLK，也叫位時(shí)鐘，即對應(yīng)于數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，BCLK都有一個(gè)脈沖。BCLK的頻率=2×采樣率×采樣位數(shù)。
?。?）幀時(shí)鐘LRCLK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCLK為“1”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)。LRCLK的頻率等于采樣頻率。
?。?）串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。
有時(shí)為了使系統(tǒng)能夠更好的同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號MCLK，稱為主時(shí)鐘，也叫系統(tǒng)時(shí)鐘，是采樣頻率的256倍或384倍。典型的I2S接口時(shí)序如圖1所示，對于系統(tǒng)而言，產(chǎn)生BCLK和LRCLK信號的信號端是主設(shè)備。I2S的數(shù)據(jù)線用于串行數(shù)據(jù)，當(dāng)LRCLK變化（也就是左右通道的數(shù)據(jù)切換），在第二個(gè)BLCK處數(shù)據(jù)開始，按照高位在先低位在后的順序進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)在BCLK的下降沿改變，在BCLK的上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣。因此，在BCLK的上升沿處數(shù)據(jù)必須是穩(wěn)定的，接收端和發(fā)送端處理的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)可以不同：如果接收端可處理的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)多于發(fā)送端，將不足的數(shù)據(jù)位用0補(bǔ)足；反之，則將多余的數(shù)據(jù)位舍棄。
I2S接口硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用Altera公司的Stratix系列的FPGA，EP1S10672I7來實(shí)現(xiàn)AD1836中D/A的I2S接口設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)核電壓為1.5V，I/O電壓為3.3V，符合AD1836數(shù)字接口輸入輸出電平要求，其中D/A部分的I2S接口硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。
本設(shè)計(jì)中，將AD1836采樣時(shí)鐘設(shè)置為48kHz，采樣位數(shù)為24位。從AD1836數(shù)據(jù)手冊可知，其系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）為12.288MHz，左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘（LRCLK）等于采樣時(shí)鐘（48kHz），數(shù)據(jù)位時(shí)鐘（DBCLK）為64×左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘（3.072MHz）。所以串行數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)氖?4位的有效數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)位時(shí)鐘周期對應(yīng)的數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為0，串行數(shù)據(jù)線DSDATA1、DSDATA2、DSDATA3分別對應(yīng)于三路的立體D/A，所有的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線均經(jīng)過下拉電阻后與FPGA的I/O相連。
基于FPGA的實(shí)現(xiàn)
邏輯模塊設(shè)計(jì)
FPGA內(nèi)部邏輯模塊主要包括分頻模塊和D_A接口模塊，如圖3所示。其中分頻模塊將AD1836的系統(tǒng)時(shí)鐘12.288MHz分頻為3.072MHz（即位時(shí)鐘BCLK）；start信號為模塊使能信號，為高時(shí)，D_A接口模塊將從DATIN引腳輸入的24位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，從Datout引腳輸出；當(dāng)左右通道時(shí)鐘切換時(shí)，輸入的24位并行數(shù)據(jù)也相應(yīng)改變，同時(shí)從LRclk引腳輸出48kHz的左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘，從Bclk引腳輸出3.072MHz的位時(shí)鐘信號。LRclk和Bclk都是在AD1836的系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）的基礎(chǔ)上分頻得到的，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的同步性。
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軟件設(shè)計(jì)
所有軟件的設(shè)計(jì)是在QuartusⅡ 6.0中采用Verilog HDL語言輸入完成的，系統(tǒng)采用10MHz的有源晶振，通過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)進(jìn)行二級倍頻從而得到12.288MHz的時(shí)鐘信號，然后通過clkin_12_288M引腳送入分頻模塊。主要的程序如下：
分頻模塊
Module freq3_027M(clkin12_288M, clkout3_027M);
input clkin12_288M; //時(shí)鐘輸入引腳
output clkout3_027M; //時(shí)鐘輸出引腳
reg clkout3_027M; //分頻計(jì)數(shù)器
integer cunt;
always@( posedge clkin12_288M) begin
cunt=cunt+1;
if (cunt<=1)
begin clkout3_027M=1'b0;end
else if((cunt<=3)&&(cunt>=2))
begin clkout3_027M=1'b1;end
else
begin cunt="0";clkout3_027M=1'b0;end
end
endmodule
D_A接口模塊
?。?）左右通道切換時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位時(shí)鐘
assign LRCLKout = LR_f; //左右通道切換時(shí)鐘
assign BCLKout =(BCLK_f)?BCLKin:1'b1; //數(shù)據(jù)位時(shí)鐘
?。?）時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換
always@( negedge BCLKin) begin
if(start) begin //使能信號為高
cunt=cunt+1;
case (cunt)
1: begin LR_f=~LR_f; //左右通道時(shí)鐘
BCLK_f=1'b1;end //送出位數(shù)據(jù)時(shí)鐘
2: datout="DDSdatin"[23];//送出最高位
3: datout="DDSdatin"[22]; //送出次高位
4: datout="DDSdatin"[21];
5: datout="DDSdatin"[20];
6: datout="DDSdatin"[19];
7: datout="DDSdatin"[18];
8: datout="DDSdatin"[17];
9: datout="DDSdatin"[16];
10: datout="DDSdatin"[15];
11: datout="DDSdatin"[14];
12: datout="DDSdatin"[13];
13: datout="DDSdatin"[12];
14: datout="DDSdatin"[11];
15: datout="DDSdatin"[10];
16: datout="DDSdatin"[9];
17: datout="DDSdatin"[8];
18: datout="DDSdatin"[7];
19: datout="DDSdatin"[6];
20: datout="DDSdatin"[5];
21: datout="DDSdatin"[4];
22: datout="DDSdatin"[3];
23: datout="DDSdatin"[2];
24: datout="DDSdatin"[1];
25: datout="DDSdatin"[0]; //數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢
26: datout="0"; //剩余的數(shù)據(jù)送0
27: datout="0";
28: datout="0";
29: datout="0";
30: datout="0";
31: datout="0";
32: datout="0";
default:datout=1'bz;
endcase
end
軟件仿真
模塊的仿真也是在軟件QuartusⅡ6.0中實(shí)現(xiàn)的，仿真波形如圖4所示。為了便于仿真，在24位的并行數(shù)據(jù)輸入口輸入十六進(jìn)制的常數(shù)AB15F7H，此時(shí)送入左右通道的數(shù)據(jù)是相同的。從仿真波形中可以看出，當(dāng)start信號高有效后，位數(shù)據(jù)時(shí)鐘和左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘送出，將并行的24位數(shù)據(jù)AB15F7H從數(shù)據(jù)線上串行送出，在多余的位數(shù)據(jù)時(shí)鐘處數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為0，仿真結(jié)果與I2S接口時(shí)序圖相符合。
結(jié)束語
本文以FPGA為控制單元，完成了AD1836中D/A部分的I2S接口設(shè)計(jì)，它在數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功運(yùn)用在某話路特性綜合測試系統(tǒng)中，性能良好。
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