【正文】 ............................................................................. 33 MP3 播放音樂程序設(shè)計(jì) ........................................................................ 34 數(shù)碼相冊(cè)程序設(shè)計(jì) ................................................................................. 35 第 8 章 系統(tǒng)調(diào)試 ...................................................................................................... 37 SD 卡讀寫測(cè)試 ...................................................................................... 37 VS1003B 正弦音測(cè)試 ............................................................................ 37 TFT 顯示測(cè)試 ........................................................................................ 38 觸摸芯片測(cè)試 ......................................................................................... 38 文件系統(tǒng)加載測(cè)試 ................................................................................. 39 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 40 致謝 .............................................................................................................................. 41 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 42 附錄 A .......................................................................................................................... 42 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 項(xiàng)目研究背景 近年來，市場(chǎng)上的電子數(shù)碼產(chǎn)品更新?lián)Q代很快，從當(dāng)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(qiáng)大。因此，本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一個(gè) NIOS微處理器。對(duì)從事消費(fèi)類電子產(chǎn)品開發(fā)以及其它相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)都具有積極的意義 [5]。 主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)要求利用 SOPC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子音樂相冊(cè)的功能 ， 因此我 以實(shí)驗(yàn)室的FPGA 開發(fā)板 DE2 作 為 主板 。主要難點(diǎn)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(jì)與實(shí)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。它將處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 口、 LVDS、CDR 等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè)可編程器件上，構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。有些可編程器件內(nèi)還可以包含部分可編程模擬電路。 SOPC 設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部內(nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（ RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以 PCB 和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)。 Altera 的 Quartus II 曾經(jīng)是應(yīng)用廣泛、非常受歡迎的 FPGA(可編程邏輯器件 )設(shè)計(jì)軟件，它對(duì)于 FPGA 和 CPLD 這些 PLD 器件的應(yīng)用推廣、電路部件和嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [2]，以及 SOPC 技術(shù)的推廣有著巨大的貢獻(xiàn)。這種 SOPC 系統(tǒng)是指在 FPGA 中嵌入軟核處理器，如： NIOS II 核等。 NIOS II 嵌入式軟核微處理器介紹 Nios 以及 Nios II處理器是 Altera公司為其 FPGA產(chǎn)品配套開發(fā)的軟核 CPU。其最大處理能力是第一代軟核的 3 倍，而西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 小的體積只有 550LeS[1]，是第一代軟核的 1/2 大。所以 [1]，同一個(gè)軟件可以不做任何的修改就可以三個(gè)型號(hào)間交換。用戶自定義指令在處理方式上同原有指令集中的指令是一樣的， ALU 面前它們一律平等，所以在處理速度方面等同于原有指令。由于系統(tǒng)的總線控制器是在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的，可以進(jìn)行靈活的配置，在某些外設(shè)需要具有馮 開發(fā)平臺(tái)資源如下： ? Cyclone II EP2C35F672C6 FPGA； ? 10/100M 以太網(wǎng)接口 ； ? RS232 接口 ； ? USB 接口 ； ? PS/2 鍵盤、鼠標(biāo)接口 ； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 ? 8MBytes SDRAM； ? 512K SRAM； ? 4 MBytes Flash 存儲(chǔ)器 ； ? SD 卡接口 ； ? LCD1602； ? 8 個(gè) 7 段數(shù)碼管 ； ? 18 個(gè)撥動(dòng)開關(guān) ； ? 18 紅色 LED； ? 9 個(gè)綠色 LED； ? 4 個(gè)防抖動(dòng)按鍵 ； ? 50 MHz 晶振 ； ? 80 個(gè)外接擴(kuò)展 GPIO 口 。 外部存儲(chǔ)器 由于需要運(yùn)行 uClinux 及 Boa Web 服務(wù)器，所以 FPGA 芯片需要內(nèi)核程序存儲(chǔ)器、 SDRAM 存儲(chǔ)器。 Flash 存儲(chǔ)器通過 Avalon 三態(tài)橋與外擴(kuò)的數(shù)據(jù)總線和地址總線公用數(shù)據(jù)。主動(dòng)配置是當(dāng)系統(tǒng)上電后， FPGA 通過串行方式讀取EPCS16 中的數(shù)據(jù)， FPGA 將壓縮格式的數(shù)據(jù)解壓后，就是 FPGA 的配置程序，包括 Nios II 和用戶自定義邏輯的所有 SOPC 程序。 FPGA 中的 SRAM 是易失性的，每次上電之前 [1]，配置數(shù)據(jù)必須重新 FPGA 中。 SOPC Builder具有友好的圖形用戶界面，為用戶提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)平臺(tái)以搭建基于總線的系統(tǒng)，用戶可以從 Altera 提供的 IP 庫中選取組件，如處理器、 SDRAM、 Flash、各種IO 口等，并可通過選擇 配置相應(yīng)的參數(shù) [2]，還有包含操作系統(tǒng)內(nèi)核的嵌入式軟件開發(fā)工具。 Nios II/f 占資源最多，功能也最多，速度 最快 。這考慮到設(shè)計(jì)中不需要過多的其他功能，所以我選擇了 Level1[1]。上電后， Bootloader 程序會(huì)將操作系統(tǒng)的內(nèi)核程序由 Flash 調(diào)入 SDRAM 中 [2]，這樣可提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 第 4 章 硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) SD 卡驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) SD卡簡介 SD 卡 （ Secure Digital Memory Card）是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備。 SD 卡的結(jié)構(gòu)能保證數(shù) 字文件傳送的安全性，也很容易重新格式化，所以有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，音樂、電影、新聞等多媒體文件都可以方便地保存到 SD 卡中。 圖 41 SD卡結(jié)構(gòu)圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 2． SD 卡的通信方式 SD 卡支持兩種總線方式： SD 方式與 SPI 方式。 由于 NIOS II 沒有自帶 SD 控制器，所以，本設(shè)計(jì)采用 SPI 通信模式 。 指令格式如 所示 ： 圖 44 SD卡命令格式 Command： SPI 通信命令編號(hào) ； Command： SPI 通信附加命令 ； CRC： 冗余校驗(yàn) 碼 。 SD卡驅(qū)動(dòng)程序 由于 本設(shè)計(jì)主要是從 SD 卡中讀取數(shù)據(jù)然后進(jìn)行處理 ， 因此， SD 卡驅(qū)動(dòng)只需要 3 個(gè)步驟即可完成： （ 1） 復(fù)位 SD 卡； （ 2） 初始化 SD 卡； （ 3） 讀取 SD 卡 扇區(qū)數(shù)據(jù) ； 接下來，詳細(xì)介紹各個(gè)步驟的程序設(shè)計(jì) 。 根據(jù)時(shí)序圖，寫出程序流程圖如 圖 46 所示 ： 發(fā) 送 7 4 個(gè) 空 閑 時(shí) 鐘開 始發(fā) 送 6 個(gè) 字 節(jié) 的指 令 碼返 回 值 = 0 x 0 1N ， 再 次 發(fā) 送Y補(bǔ) 償 8 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期結(jié) 束 圖 46 SD卡復(fù)位程序流程圖 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 2． 初始化 SD 卡 根據(jù) SD 卡數(shù)據(jù)手冊(cè)查閱，初始化 SD 卡時(shí)序如 圖 47 所示 ： 圖 47 初始化 SD卡時(shí)序圖 初始化 SD 卡的命令指令為 CMD1，指令碼 為 {0x41， 0x00， 0x00， 0x00，0x00， 0xff}， 用于把 SD 卡從休眠模式中喚醒到工作模式下 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 17 音頻芯片驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) VS1003B簡介 VS1003 是芬蘭 VLSI 公司出品的一款單芯片的 MP3/WMA/MIDI 音頻解碼和 ADPCM 編碼芯片，其擁有一個(gè)高性能低功耗的 DSP 處理器核 VS_DSP， 5K的指令 RAM， 的數(shù)據(jù) RAM，串行的控制和數(shù)據(jù)接口， 4 個(gè)通用 IO 口，一個(gè) UART 口；同時(shí)片內(nèi)帶有一個(gè)可變采樣率的 ADC、一個(gè)立體聲 DAC 以及音頻耳機(jī)放大器。 在連接 VS1003B 注意電源 管腳 ： AVDD： 模擬電源推薦為 ，但是 很難得到，采用 模擬電源 ； CVDD： 數(shù)字電源，推薦為 電壓，采用 獲得 ； IOVDD： IO 口電壓標(biāo)準(zhǔn)，采用 電壓 。 X D C SS C L KM O S IM I S O 圖 413 SDI數(shù)據(jù)通信方式 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 19 VS1003B驅(qū)動(dòng)程序 1． VS1003B 初始化 在使用 VS1003B 之前 需要對(duì) VS1003B 寄存器 進(jìn)行初始化 ，以便 VS1003B能正確進(jìn)行 音頻解碼 。 2． HX8347 驅(qū)動(dòng) TFT 液晶 的芯片有多種選擇 ， 本文使用的是 HX8347 芯片 ， 該芯片最大支持 320*240 分辨率的 TFT 液晶 ， 同時(shí)內(nèi)置 173KB 的 RAM， 色彩模式支持最大 26 萬色的顯示 。 1． 寄存器操作時(shí)序 HX8347 功能非常強(qiáng)大，提供寄存器地址從 0x00~0x93 總共 132 個(gè)寄存器 。 2． 設(shè)置 HX8347 顯示區(qū)域 初始化 TFT 后即可進(jìn)行顯示操作，任何顯示操作都必須在液晶的 RAM 中開辟一個(gè)顯示緩沖區(qū)，然后再往顯示緩沖區(qū)填入顯示數(shù)據(jù)既能完成顯示。 根據(jù)這個(gè)原理 實(shí)現(xiàn)了三個(gè)接口程序以便提供給上層 GUI 程序使用 。 電阻觸摸屏 的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏 。 2． 硬件連接 在 SOPC 工程時(shí)候設(shè)計(jì)了 6 個(gè) IO 口來操作 UH7843 芯片 ， 與 NIOS II 連接圖如 圖 419 所示 。聲音用電表示時(shí)，聲音信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的模擬信號(hào)。其高低是由奈奎斯特理論和聲音信號(hào)本身的最高頻率決定的。但是人耳的分辨率很有限，所以太高的頻率也分辨不出來。量化，就是把各個(gè)時(shí)刻的采樣值用計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制來表示。 音頻 編碼格式 目前，比較主流的幾種音頻編碼有 WAV、 MP WMA 格式 。 因此在聲音文件質(zhì)量和 CD 相差無幾 。 WMA 格式是以減少數(shù)據(jù)流量但保持音質(zhì)的方法來達(dá)到更高的 壓縮率 目的，其壓縮率一般可以達(dá)到 1:18，生成的文件大小只有相應(yīng) MP3 文件的 不到 一半。 3． MP3 格式 MP3 是一種音頻壓縮技術(shù)，由于這種壓縮方式的全稱叫 MPEG Audio Layer3，所以人們把它簡稱為 MP3。每分鐘音樂的 MP3 格式只有 1MB 左右大小，這樣每首歌的大小只有34M 字節(jié)。 未 經(jīng)過 任何 壓縮 的原始圖片， 這些點(diǎn)可以進(jìn)行不同的排列和染色以構(gòu)成圖樣。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 29 BMP圖片存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) BMP 文件可分為四個(gè)部分：位圖文件頭、位圖信息頭、彩色板、圖像