【正文】 ........................................................... 27 音頻介紹 .......................................................................................... 27 音 頻編碼格式 .................................................................................. 27 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 2 BMP 圖片 ............................................................................................... 28 BMP 位圖介紹 ................................................................................ 28 BMP 圖片存儲結(jié)構(gòu) ........................................................................ 29 第 6 章 FAT32文件系統(tǒng) .......................................................................................... 31 FAT32 文件系統(tǒng)簡介 ............................................................................. 31 FAT32 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ............................................................................. 31 第 7 章 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 ...................................................................................... 33 系統(tǒng)整體軟件流程圖 ............................................................................. 33 MP3 播放音樂程序設(shè)計 ........................................................................ 34 數(shù)碼相冊程序設(shè)計 ................................................................................. 35 第 8 章 系統(tǒng)調(diào)試 ...................................................................................................... 37 SD 卡讀寫測試 ...................................................................................... 37 VS1003B 正弦音測試 ............................................................................ 37 TFT 顯示測試 ........................................................................................ 38 觸摸芯片測試 ......................................................................................... 38 文件系統(tǒng)加 載測試 ................................................................................. 39 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 40 致謝 .............................................................................................................................. 41 參考文獻 ...................................................................................................................... 42 附錄 A .......................................................................................................................... 42 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 項目研究背景 近年來，市場上的電子數(shù)碼產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，從當初的分立元件到現(xiàn)在的集成芯片，產(chǎn)品的體積越來越小，而所展現(xiàn)出來的功能則日益強大。它們?yōu)槿粘Ｉ钐峁┝藰O大的幫助 [1]。數(shù)碼音樂相冊在現(xiàn)在電子市場已經(jīng)很普遍，但是多用專用芯片制作。 由于這種消費產(chǎn)品是一種非常典型的嵌入式產(chǎn)品，其多采用專用集成芯片來制作，對整個系統(tǒng)的功能設(shè)計和實現(xiàn)難以分析，不利于作為一種嵌入式設(shè) 計的教學范例。因此，本設(shè)計采用現(xiàn)在流行的 ALTERA的 FPGA芯片，結(jié)合 FPGA的 SOPC技術(shù)，在 FPGA內(nèi)部實現(xiàn)一個 NIOS微處理器。在設(shè)計這個微處理器同時能充分了解單片機的構(gòu)造原理，總線原理以及工作過程 [3]，并對很多高級外圍設(shè)備的操作加深理解，對提高大學生電子設(shè)計理論水平有積極意義。 本 設(shè)計 項目基于消費類領(lǐng)域應用的主流器件 ALTERA公司的 FPGA，采用最新的EDA和 SOPC技術(shù)，綜合了音頻播放、彩色圖像顯示、 TFT液晶驅(qū)動 、觸摸屏原理 、SD卡存儲控制 以及 FAT32文件系統(tǒng) 等消費類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù) 。從中 能夠得到全面的消費類產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗 ， 鞏固電子技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、微機原理、數(shù)字控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計等多門課程的理論知識，并得到實際的工程訓練。對從事消費類電子產(chǎn)品開發(fā)以及其它相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計都具有積極的意義 [5]。 該題目接近生活使用品，實用性很強，軟硬件搭配得很好，并且與單片機原理很好的結(jié)合?？梢酝ㄟ^該題目進一步學習 CPU原理以及 MCU控制器的構(gòu)建，也可以深化電路理論及提高實踐能力，從而達到本科階段綜合能力的培養(yǎng)和提高。目前嵌入式應用越來越廣泛 [3]，作為工科電子類的大學生也應該具備這方面的知識和一定的應 用能力，才能更好的滿足社會需求，成為合格的工程師。 主要研究內(nèi)容 本設(shè)計要求利用 SOPC 技術(shù)，實現(xiàn)電子音樂相冊的功能 ， 因此我 以實驗室的FPGA 開發(fā)板 DE2 作 為 主板 。在 DE2 開發(fā)板 基礎(chǔ)上 ，外加 SD 卡、 TFT 液晶、觸摸芯片以及音頻模塊來實現(xiàn)電子音樂相冊的功能 [1]。 主要研究的內(nèi)容如下： 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 2 ? 基于 FPGA 的 SOPC 系統(tǒng)設(shè)計實驗，保證相關(guān)軟件設(shè)計代碼繼承、移植和復用 ； ? SD 卡的讀寫控制實驗； ? TFT 液晶驅(qū)動實驗； ? 數(shù)字化音頻的處理與播放驅(qū)動實驗。 整個設(shè)計中，存在 一些 難點需要花主要精力去解決。主要難點如下： ? 基于 Nios 的嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建； ? 文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)； ? 圖像的顯示與掃描技術(shù)； ? 高保真數(shù)字化音頻的轉(zhuǎn)換和播放。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 3 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計以及原理 電子音樂相冊 簡介 數(shù)碼音樂相冊主要是在 TFT 液晶上采用觸摸控制技術(shù)實現(xiàn)圖片的顯示以及MP3 的播放，主要實現(xiàn)功能如下： ? 顯示 24 位色和 16 位色的 BMP 圖片； ? 解碼播放 MP WAV、 WMA 等音樂文件； ? 實現(xiàn)電阻式觸摸屏控制； ? 支持 FAT32 文件系統(tǒng)； ? 數(shù)據(jù)采用 SD 卡存儲，方便在線更改 SD 卡數(shù)據(jù)； 電子音樂相冊 整體方案 本次畢業(yè)設(shè)計數(shù)碼音樂相冊采用 VS1003B 作為音頻解碼芯片 ，用于播放音頻數(shù)據(jù)。以 HX8347 作為 TFT 液晶主控的液晶模塊作為系統(tǒng)顯示器， UH7843 觸摸芯片用于驅(qū)動觸摸屏得到觸摸信息， SD 卡用于音頻以及圖片數(shù)據(jù)的存儲。 整體系統(tǒng)框圖如 圖 21 所示： N I O S I I處 理 器T F T 液 晶V S 1 0 0 3 B 音 頻處 理 芯 片U H 7 8 4 3觸 摸 芯 片S D 卡S D R A M芯 片F(xiàn) L A S H芯 片 圖 21 系統(tǒng)整體框圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 4 第 3 章 基于 FPGA的 SOPC系統(tǒng)構(gòu)建 SOPC系統(tǒng)整體設(shè)計 在 Quartus II 新建工程，在 SOPC Builder 中構(gòu)建滿足設(shè)計需要的 NiosII CPU，本章將介紹 SOPC 技術(shù) 以及 基于 SOPC Builder 構(gòu)建 NiosII CPU 的方法，構(gòu)建的CPU 系統(tǒng)框圖如 圖 31 所示 ： 圖 31 SOPC系統(tǒng)框圖 SOPC技術(shù)簡介 SOPC，即片上可編程系統(tǒng) (System on a programmable Chip)是 Altera 公司提出來的一種靈活、高效的 SOC 解決方 案。它將處理器、存儲器、 I/O 口、 LVDS、CDR 等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成到一個可編程器件上，構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng)。它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁剪、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的能力?？删幊唐骷?nèi)，還具有小容量高速 RAM 資源。由于市場上有豐富的 IP core 資源可供靈活選擇，用戶可以構(gòu)成各種不同的系統(tǒng)，如單處理器、多處理器系統(tǒng)。有些可編程器件內(nèi)還可以包含部分可編程模擬電路。除了系統(tǒng)使用的資源外，可編程器件內(nèi)還有足夠的可編程邏輯資源，用于實現(xiàn)其它的附加邏輯 [1]。 SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術(shù)融合的結(jié)果，目前 的 ASIC 產(chǎn)品制造價格西南科技大學本科生畢業(yè)論文 5 仍然相對昂貴，而集成硬核或軟核 CPU、 DSP、存儲器、外圍、 I/O 及可編程邏輯的 SOPC芯片在應用的靈活性和價格上有極大的優(yōu)勢 [3]。所以，可以認為 SOPC代表了半導體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。 SOPC 設(shè)計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS）為中心的軟件設(shè)計技術(shù)、以 PCB 和信號完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計技術(shù)以外， SOPC 還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)。由于 SOPC 的主要邏輯設(shè)計是 在可編程邏輯器件內(nèi)部進行，而 BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。同時，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來 [5]，如 Altera公司的片內(nèi)邏輯分析儀 SignalTap II 就是一種非常好的片內(nèi)實時調(diào)試工具。 Altera 的 SOPC 開發(fā)工具，將軟硬件的設(shè)計結(jié)合起來，提供給客戶一個很好的開發(fā)環(huán)境。 Altera 的 Quartus II 曾經(jīng)是應用廣泛、非常受歡迎的 FPGA(可編程邏輯器件 )設(shè) 計軟件，它對于 FPGA 和 CPLD 這些 PLD 器件的應用推廣、電路部件和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計 [2]，以及 SOPC 技術(shù)的推廣有著巨大的貢獻。 SOPC 技術(shù)主要應用以下三個方向： ? 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中預先植入處理器。這使得 FPGA 靈活的硬件設(shè)計與處理器的強大軟件功能有機地結(jié)合在一起 [1]，高效地實現(xiàn) SOPC 系統(tǒng) ； ? 基于 FPGA 嵌入 IP 軟核的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中嵌入軟核處理器，如： NIOS II 核等。用戶可以根據(jù)設(shè)計的要求，利用相應的EDA 工具，對 NIOS II 及其外圍設(shè)備進行構(gòu)建 [1]，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計的 要求 ； ? 基于 HardCopy 技術(shù)的應用。這種 SOPC 系統(tǒng)是指將成功實現(xiàn)于 FPGA器件上的 SOPC 系統(tǒng)通過特定的技術(shù)直接向 ASIC 轉(zhuǎn)化。把大容量 FPGA的靈活性和 ASIC 的市場優(yōu)勢結(jié)合起來 [1]，實現(xiàn)對于有較大批量要求并