基于Nios II的數(shù)字音頻錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

前言

SOPC( System On Programmable Chip)技術(shù)是SOC( System On Chip)技術(shù)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。它可以將處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊都集成到一個(gè)FPGA 芯片里, 構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)[1]。它還具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，具備系統(tǒng)可編程等功能，是一種優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[2]。本文研究了一種基于SOPC技術(shù)的嵌入式數(shù)字音頻錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)通過(guò)在FPGA芯片上配置NiosII軟核處理器和相關(guān)的接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu),并結(jié)合嵌入式系統(tǒng)所支持的軟件設(shè)計(jì)來(lái)控制音頻編/解碼芯片WM8731和SDRAM,實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、回放等功能。由于采用了SOPC和DMA控制技術(shù)，該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活、擴(kuò)展性好和數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點(diǎn)[3、4]。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)選用的FPGA芯片是Altera公司最新推出的CycloneII 系列的EP2C35。該芯片具有35000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳、475個(gè)用戶自定義I/O接口、35個(gè)嵌入式乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)，是一個(gè)集成度極高和功能強(qiáng)大的FPGA芯片。在FPGA中設(shè)計(jì)有NiosII軟核處理器和掛在該NiosII系統(tǒng)的Avalon總線上的I2C配置接口模塊、串/并轉(zhuǎn)換模塊(S/P)、并/串轉(zhuǎn)換模塊(P/S)、先入先出存儲(chǔ)器模塊（fifo_in、fifo_out）、Sdram存儲(chǔ)器控制接口（Sdram control）、DMA控制器接口（Dma_in、Dma_out）和用于接收按鍵信息的通用并行接口（pio）模塊等。在FPGA外有音頻編/解碼芯片（WM8731）、音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（SDRAM）和控制按鍵（keybord）等。



圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的音頻信號(hào)采集原理是：WM8731經(jīng)過(guò)I2C配置后，將輸入端加入的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，成為串行的數(shù)字信號(hào)。FPGA內(nèi)的串/并轉(zhuǎn)換模塊再將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位寬的并行數(shù)字信號(hào)。此信號(hào)從s/p的輸出，并交給先入先出存儲(chǔ)器（fifo）進(jìn)行緩存。當(dāng)fifo的數(shù)據(jù)達(dá)到其容量的一半時(shí)向dma_in請(qǐng)求一次DMA傳送。Dma_in接受請(qǐng)求后就執(zhí)行一次fifo到Sdram之間的直接DMA數(shù)據(jù)保存。多次重復(fù)fifo到Sdram之間的DMA傳送，直到采集停止鍵被按下后，就完成了一段音頻數(shù)據(jù)的采集。

回放原理是：在Dma_out的控制下，通過(guò)Sdram控制器將Sdram中保存的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)fifo_out送到并/串轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)字信號(hào)再由WM8731進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，就還原成為模擬的聲音信號(hào)。多次重復(fù)這種DMA傳送操作，直到回放停止鍵被按下后就完成了一段音頻數(shù)據(jù)的回放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由FPGA內(nèi)的NIOSII中央處理器及接口模塊和FPGA外的音頻編/解碼芯片WM8731、存儲(chǔ)器和控制鍵等部分構(gòu)成。

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA內(nèi)部各模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。FPGA內(nèi)部各模塊是利用Altera公司提供的QuartusII開(kāi)發(fā)軟件和其中集成的SOPC Builder系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)的。SOPC Builder支持NiosII CPU的配置，并支持設(shè)計(jì)者在該工具所提供的IP庫(kù)中根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要選擇相應(yīng)的接口模塊，并加入到NiosII系統(tǒng)中。這樣，在極短的時(shí)間內(nèi)就可以完成一個(gè)SOPC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。將這些設(shè)計(jì)在QuartusII中編譯并生成sof格式文件后，下載到FPGA芯片中就形成了SOPC的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)。
下面主要對(duì)NIOSII軟核處理器、I2C總線控制接口、串/并轉(zhuǎn)換模塊等幾個(gè)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2.1  NiosII軟核處理器

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所選擇的處理器是Altera公司新近推出的第二代嵌入式NiosII軟核處理器系列中的一個(gè)。NiosII處理器系列是一個(gè)用戶可配置的通用32位RISC嵌入式軟核處理器集合。它包括三種軟核CPU：一種是高性能軟核，它的處理能力超過(guò)200MIPS，需要占用1800個(gè)邏輯單元；一種是精簡(jiǎn)軟核， 用這種軟核構(gòu)造一個(gè)完整的CPU系統(tǒng)只需要占用700個(gè)邏輯單元；第三種是標(biāo)準(zhǔn)軟核，這種軟核約占用1400個(gè)邏輯單元，性能也介于上兩種軟核之間。所有軟核都是100%代碼兼容，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要對(duì)上述三種軟核進(jìn)行選擇來(lái)調(diào)整嵌入式系統(tǒng)的性能及成本。由于本設(shè)計(jì)采用的CycloneII系列的2C35芯片具有35000個(gè)邏輯單元，邏輯資源十分豐富，加上系統(tǒng)對(duì)CPU的性能要求較高的原因，因此選用了高性能的NiosII軟核作為本系統(tǒng)的CPU。

2.2  I2C總線控制接口

WM8731是Wolfson Microelectronics公司生產(chǎn)的一款低功耗的高品質(zhì)雙聲道數(shù)字信號(hào)編解碼芯片。該芯片的ADC和DAC的采樣頻率為8KHZ~96KHZ可調(diào)，可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為16~32位可調(diào)。WM8731的內(nèi)部有11個(gè)寄存器。該芯片的初始化和內(nèi)部功能設(shè)置是以I2C總線方式對(duì)其內(nèi)部的這11個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中WM8731工作于主模式，采樣頻率設(shè)為48KHZ，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為16位。

由于SOPC Builder自帶的IP庫(kù)中并不包含I2C配置接口模塊，所以該模塊需要設(shè)計(jì)者根據(jù)要配制的芯片的寄存器特點(diǎn)和功能要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的I2C接口是作者自行設(shè)計(jì)，并以IP核的形式通過(guò)SOPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上的。WM8731的基地址是34h ,11個(gè)寄存器的配置數(shù)據(jù)如表1所示。其中1Eh為WM8731的軟件復(fù)位控制寄存器，復(fù)位時(shí)配置的值為00h,平時(shí)為缺省值。

表1  WM8731的寄存器及其參數(shù)設(shè)置



2.3  串/并轉(zhuǎn)換模塊[!--empirenews.page--]

由于WM8731在A/D轉(zhuǎn)換后和D/A轉(zhuǎn)換前的數(shù)字信號(hào)都是以串行格式與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，所以，在WM8731與系統(tǒng)控制核心之間需要加入串/并和并/串轉(zhuǎn)換模塊。本文主要對(duì)其中的串/并轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行介紹。工作于主模式的WM8731與串/并轉(zhuǎn)換模塊的連接如2所示。圖中，BCLK、和LRCK為WM8731返回給控制模塊的位同步時(shí)鐘和采樣時(shí)鐘，ADCDATA為WM8731輸出的串行音頻數(shù)據(jù)流。



圖2 主模式的WM8731與串/并轉(zhuǎn)換模塊的連接圖

本設(shè)計(jì)中，串并轉(zhuǎn)換模塊由兩個(gè)16位的移位寄存器構(gòu)成，分別對(duì)左聲道和右聲道的位數(shù)據(jù)流進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，電路構(gòu)成如圖3所示。兩個(gè)移位寄存器inst7和inst8由LRCK和LRCK的非信號(hào)使能，當(dāng)LRCK為低電平時(shí)，移位寄存器inst8工作，對(duì)左聲道的數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，當(dāng)LRCK為高電平時(shí)，移位寄存器inst7工作，對(duì)右聲道的數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。



圖3 移位寄存器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件是在Altera公司提供的軟件集成開(kāi)發(fā)工具IDE中，以C語(yǔ)言形式，在硬件抽象層(HAL)函數(shù)支持下設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化操作，初始化程序主要完成WM8731的寄存器配置、初始化DMA通道及清采集FIFO緩沖器。隨后，系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)狀態(tài)，并檢測(cè)按鍵。當(dāng)檢測(cè)到SAVE按鍵時(shí)，系統(tǒng)先通過(guò)I2C配置WM8731為錄制時(shí)需要的狀態(tài)，然后清FIFO緩沖器，隨后啟動(dòng)DMA接收通道，開(kāi)始保存數(shù)據(jù)，直到一次DMA傳輸結(jié)束。當(dāng)檢測(cè)到播放按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)I2C配置WM8731為播放時(shí)所需要的狀態(tài)，并進(jìn)入播放程序。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到停止按鍵被按下時(shí)，設(shè)置播放標(biāo)志位為STOP，并在一次DMA完成后，自動(dòng)停止播放。



圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在Altera公司最新推出的CycloneII系列的EP2C35芯片上進(jìn)行了軟、硬件調(diào)試，功能全部正常。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了DMA控制下的FIFO和SDRAM之間的直接高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，有效地解決了音頻信號(hào)的高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換及處理過(guò)程中對(duì)CPU資源長(zhǎng)時(shí)間占用和系統(tǒng)功能擴(kuò)展時(shí)對(duì)PCU資源更多需求的矛盾，使得本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)功能擴(kuò)展上具有極大的潛力。再加上SOPC技術(shù)在軟、硬件設(shè)計(jì)上的可裁減和很方便移植等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)可以作為一個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用在更大型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，例如嵌入式網(wǎng)絡(luò)音、視頻信號(hào)處理等，有很好的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。