【正文】 業(yè)出版社2013,27 [M].電子工業(yè)出版社, 2013,4[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2013,9 9 10劉波文、. 北京航空航天大學(xué)出版社,2012,511 薩斯(Sass R.).FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐[M].清華大學(xué)出版社,[M].電子工業(yè)出版社,2013,313禇振勇、翁木云、 [M].西安電子科學(xué)大學(xué)出版社,14楊軍、[M].科學(xué)出版社,15Computer Architecture and Security: Fundamentals of Designing Secure Computer Systems Wang, Shuangbao Paul、 Ledley, Robert S. John Wiley amp。這四年里有快樂，有悲傷，看著自己一步步成長，伴隨的都是同窗之誼，師生之情。唐老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，平易近人，在很多方面都給了我很多幫助。由于時(shí)間限制和自身所掌握的知識(shí)還不夠，本次設(shè)計(jì)還有很多缺點(diǎn)，特別是音頻處理方面還不夠完善，與當(dāng)今社會(huì)的高技術(shù)人員開發(fā)出來的技術(shù)相比，還有巨大的差距，因此本課題的設(shè)計(jì)還有的很多地方，需要作進(jìn)一步改進(jìn)。 SOPC Builder生成系統(tǒng)后，可直接使用Nios II IDE設(shè)計(jì)C/C++應(yīng)用程序代碼。在進(jìn)行SOPC系統(tǒng)的構(gòu)架方面，本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用Altera公司推出的FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境Quartus II完成。本次可以設(shè)計(jì)的另一個(gè)重難點(diǎn)是音頻編/解碼芯片WM8731的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，本章對其驅(qū)動(dòng)代碼做了大致的描述，這部分的模塊主要控制WM8731對聲音信號(hào)進(jìn)行錄制和播放，另外還有在其他模塊對于錄制和播放過程進(jìn)行調(diào)整、控制、顯示，本章沒有一一列舉。數(shù)碼管顯示播放時(shí)長。 return bSuccess。 else if (record_sample_rate == 48000) AUDIO_SetSampleRate(RATE_ADC48K_DAC48K)。 AUDIO_SetLineOutVol(LINEOUT_DEFUALT_VOL, LINEOUT_DEFUALT_VOL)。 AUDIO_LineInMute(FALSE)。 // max 0x1F, min:0。 AUDIO_AdcEnableHighPassFilter(FALSE)。 AUDIO_MicMute(FALSE)。 AUDIO_SetInputSource(SOURCE_MIC)。圖1I2C總線讀（左）和寫（右）WM8731程序流程圖 WM8731驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)音頻控制包括聲音的錄制和播放，同時(shí)通過按鍵對聲音大小進(jìn)行控制，音頻模塊部分代碼的描述如下：bool init_audio(AUDIO_FUNC audio_func){ bool bSuccess = TRUE。圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面 人機(jī)接口介紹人機(jī)接口包括按鍵，數(shù)碼管，LCD，LED，開關(guān)等。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。圖1nios_audio模塊 頂層例化在SOPC Builder中把系統(tǒng)的外圍組件配置完成之后，編輯設(shè)計(jì)的頂層文件,，最后進(jìn)行工程編譯，編譯完成后，芯片資源消耗如圖12所示。并連接標(biāo)準(zhǔn)MIC、Linein、Lineout接口以連接麥克風(fēng)和耳機(jī)等外部設(shè)備。 硬件電路設(shè)計(jì) SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次課題有NIOS II處理器、FLASH控制器、SDRAM控制器、I2C總線協(xié)議、音頻處理、鍵盤輸入、數(shù)碼管顯示，LCD控制器等幾個(gè)重要部分，其中NIOS II處理器、FLASH控制器、SDRAM控制器、I2C總線協(xié)議、音頻處理、GPIO、LCD控制器等是通過Avalon總線進(jìn)行FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互。Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、Verilog HDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計(jì)流程。PCIe (PIPE) 模塊的硬核 IP 支持根端口與端點(diǎn)配置。而其橋接應(yīng)用。這四種音頻格式都是高位(MSB)在前，16～32位。圖右對齊模式 圖 I2S模式圖DSP模式通過對寄存器的不同配置，可以設(shè)置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。DAC－DAT始終為輸入信號(hào)，ADCDAT始終為輸出信號(hào)。數(shù)字音頻接口可以工作在主模式和從模式下。RADDR為34H，即WM8731的基址；DATAB158為寄存器地址，DATAB70為寄存器設(shè)置的參數(shù)；每傳輸一個(gè)字節(jié)都必須跟隨一個(gè)應(yīng)答位ACK，應(yīng)答時(shí)鐘脈沖由主器件生成。2線為MPU接口，3線為兼容SPI接口。通過對MODE端口的狀態(tài)來選擇控制接口類型。通過一個(gè)12MHz時(shí)鐘，、48kHz和96kHz等采樣率，以及MP3標(biāo)準(zhǔn)定義的其他采樣率，完全不需要一個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán)或晶振，并支持其他公用的主時(shí)鐘頻率。不僅如此，該芯片還可滿足麥克風(fēng)直接輸入，同時(shí)擁有帶有側(cè)音混頻器的駐極體偏壓等優(yōu)點(diǎn)。圖基于FPGA的音頻處理系統(tǒng)其主要內(nèi)容包括對音頻編/解碼芯片WM8731的I2C總線配置模塊的設(shè)計(jì)方法。這種應(yīng)用是指將成功實(shí)現(xiàn)于FPGA器件上的SOPC系統(tǒng)向ASIC轉(zhuǎn)化。2）基于FPGA嵌入IP軟核的應(yīng)用。設(shè)計(jì)者可使用匯編或C、C++等程序設(shè)計(jì)語言來進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)，編譯以及調(diào)試?；贜ios II的完整SOPC系統(tǒng)是一個(gè)既包含軟件同時(shí)也包含硬件的系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可分為硬件部分和軟件部分。SOPC技術(shù)不僅僅涉及到以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為重點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和以信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)，它還涉及目前及其熱門的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。顧名思義，可編程片上系統(tǒng)，即是用可編程邏輯技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上。實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的數(shù)字化處理一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是采用專用或通用的信號(hào)處理器,通過處理器及一些輔助的結(jié)構(gòu)組建一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,系統(tǒng)包括通用(專用)數(shù)字信號(hào)處理器芯片、接口芯片、存儲(chǔ)芯片、信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片等組成。盡管現(xiàn)有的數(shù)字化處理技術(shù)較以前的技術(shù)已有所改善，但它們在音質(zhì)、封裝、性能、價(jià)格和核心技術(shù)方面還需要進(jìn)行改進(jìn)。而且，這些元件甚至不能滿足 CD機(jī)、汽車立體聲系統(tǒng)、DVD影碟機(jī)或MP3播放器等越來越普通的先進(jìn)設(shè)備。16位數(shù)字錄音可以精確到6000分之一，而相當(dāng)于數(shù)字分辨率為1213位的模擬錄音精確度只有8,000分之一。隨著時(shí)代的發(fā)展，新型音源出現(xiàn)了，幾乎完全進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。模擬放大器是絕對線性的，在模擬放大器中，電源總處于接通狀態(tài)，耗用大量的電能，因此必須使用大量的散熱器件。利用發(fā)熱更少、效率更高的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的設(shè)計(jì)工藝只是剛剛進(jìn)入包括音頻在內(nèi)的許多市場。 音頻處理技術(shù)的發(fā)展隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展，數(shù)字音頻技術(shù)的應(yīng)用顯得越來越重要，對數(shù)字音頻技術(shù)的研究符合市場與科技需求。但可惜的是，他已經(jīng)無法享受這一派欣欣向榮的景象，Ross Freeman在1989年已經(jīng)與世長辭了，但是它的發(fā)明卻持續(xù)不斷地促進(jìn)電子行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。FPGA是Ross Freema于1985年發(fā)明的，當(dāng)時(shí)第一個(gè)FPGA采用2μm工藝，包含64個(gè)邏輯模塊和85000個(gè)晶體管，門數(shù)量不超過1000個(gè)，當(dāng)時(shí)他所創(chuàng)造的 FPGA被認(rèn)為是一項(xiàng)不切實(shí)際的技術(shù)，他的同事Bill Carter曾說：“這種理念需要很多晶體管，但那時(shí)晶體管是非常珍貴的東西。而近些年來使用范圍越來越廣泛，技術(shù)越來越成熟的FPGA器件對于解決對于解決音頻信號(hào)的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求有著其獨(dú)特的優(yōu)勢。數(shù)字音頻處理技術(shù)涉及生活的方方面面,包括濾波器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、人工智能、模式識(shí)別、編碼學(xué)、等多個(gè)學(xué)科的知識(shí),是信息化技術(shù)類學(xué)科當(dāng)中發(fā)展極為迅速的一個(gè)方向之一。第 38 頁 共 38 頁基于FPGA的音頻處理系統(tǒng)畢業(yè)論文目錄摘要 11緒論 3 課題研究背景 3 課題來源 3 研究目的及意義 3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 FPGA的發(fā)展歷程 3 音頻處理技術(shù)的發(fā)展 4 SOPC的特點(diǎn)及其應(yīng)用 5 課題研究的內(nèi)容 72 器件介紹 8 WM8731 8 WM8731概述 8 WM8731控制接口 8 數(shù)字音頻接口 9 FPGA芯片介紹 123 硬件電路 13 硬件開發(fā)環(huán)境 13 硬件電路設(shè)計(jì) 13 SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 WM8731的外圍電路 13 nios_audio模塊 14 頂層例化 154 SOPC系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 16 軟件開發(fā)環(huán)境 16 人機(jī)接口介紹 17 各功能模塊實(shí)現(xiàn)方案 17 I2C總線 17 WM8731驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 18 20 結(jié)果展示 21 本章小結(jié) 225 總結(jié)與展望 23致謝 24參 考 文 獻(xiàn) 25附錄 261緒論 課題研究背景 課題來源 隨著數(shù)字記錄技術(shù)和大規(guī)模集成 電路技術(shù)的迅速發(fā)展,消費(fèi)類電子產(chǎn)品正以日新月異的新姿展現(xiàn)在當(dāng)代人的面前,音響類 娛樂產(chǎn)品的多樣化、小型化與數(shù)字化及品種的琳瑯滿目豐富了音響產(chǎn)品市場,滿足了多層次消費(fèi)者的不同需要。 研究目的及意義隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展，數(shù)字音頻技術(shù)的應(yīng)用顯得越來越重要，對數(shù)字音頻技術(shù)的研究符合市場與科技需求。由于乘法器龐大的結(jié)構(gòu),占用了系統(tǒng)芯片上的大部分面積,消耗了大部分功率,使得音頻處理系統(tǒng)在體積和處理速度上存在著不足,所以傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器不能很好的滿足家用和便攜式音頻處理器對體積小、功耗小信號(hào)處理速度高的要求。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。在短短的幾年時(shí)間內(nèi)，正如Ross所預(yù)言的，出現(xiàn)了數(shù)十億美元的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）市場。隨著FPGA集成度的不斷增加，其內(nèi)部的片內(nèi)外設(shè)也越來越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外設(shè)，真正用單芯片方案完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以我們所理解的FPGA最底層是一些實(shí)實(shí)在在的門電路構(gòu)成的，然后由門電路構(gòu)成最小的物理邏輯單元，然后再通過布線層將這些最小物理邏輯單元連接成用戶需要的特定功能，我們所需要控制的僅僅是布線層之間的互連開關(guān)，這也是我們編程的對象，通過這些開關(guān)來改變功能。盡管晶體管比烤得整個(gè)房間發(fā)熱的電子管更具效率，但只是迅速取代了真空管，實(shí)際上基本未觸動(dòng)上游信號(hào)源。早在20世紀(jì)60年代，集成電路的發(fā)展就為顯著提高音質(zhì)提供了一個(gè)物美價(jià)廉的手段，并有力地促進(jìn)了電子產(chǎn)品的小型化。例如，Vinyl源產(chǎn)生劈哩啪啦的各種噪音；音質(zhì)好一點(diǎn)的磁帶源則有嘶嘶聲，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍至多只有60分貝。數(shù)字記錄設(shè)備和輸出生成非常精確的聲音。典型的D類數(shù)字放大器，有些具有模擬輸入，有些具有數(shù)字輸出，不能滿足上述目標(biāo)，因?yàn)楸M管它們成本低和效率高，但缺乏生成精確音頻所需的分辨率。理論上，數(shù)字音頻信號(hào)是沒有噪聲的，它被作為一系列的“0”和“1”加以處理，沒有給可能引起微小失真的噪聲留下任何空間。數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)能較好地完成此類任務(wù),能很好地完成音頻信號(hào)合成、編輯、效果處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙ぷ?但是數(shù)字化音頻處理技術(shù),也并不是要全部釆用數(shù)字信號(hào)而忽略模擬信號(hào)的處理,而是數(shù)字信號(hào)處理和模擬信號(hào)處理相結(jié)合,做到揚(yáng)長避短,用數(shù)字化處理技術(shù)來完成傳統(tǒng)音頻處理無法或難以完成的部分,盡可能實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)完美的音質(zhì),做到數(shù)字處理與模擬處理的和協(xié)統(tǒng)一是信號(hào)處理技術(shù)唯一目的。 SOPC的特點(diǎn)及其應(yīng)用SOPC即可編程片上系統(tǒng)，它是SystemonaProgrammableChip的縮寫。SOPC設(shè)計(jì)技術(shù)基本上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)相關(guān)的全部內(nèi)容，這也體現(xiàn)了其巨大的優(yōu)越性。SOPC包含了SOC和PLD、FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，其基本特征，可總結(jié)如下：1) 包含至少一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核；2) 具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；3) 可供選擇的IP Core資源相當(dāng)豐富；4) 片上可編程邏輯資源豐富；5) 處理器調(diào)試接口以及FPGA編程接口；6) 部分可編程模擬電路可能包含其中；7) 低功耗、單芯片、微封裝。完成硬件部分的開發(fā)后，SOPC Builder可自動(dòng)生成與自定義CPU和外設(shè)地址映射、外設(shè)系統(tǒng)、存儲(chǔ)器等相應(yīng)的軟件開發(fā)包SDK，然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)入軟件開發(fā)流程。這種設(shè)計(jì)可使得SOPC系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)軟件功能有機(jī)結(jié)合，高效地完成SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3）基于HardCopy技術(shù)的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)涉及到的內(nèi)容有基于NIOS II的SOPC系統(tǒng)構(gòu)架，音頻信號(hào)的錄放，WM8731芯片的控制，I2C協(xié)議，SDRAM的讀寫。該器件可以提供CD音質(zhì)的音頻錄音和回放，芯片自帶集成耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的立體聲音頻編解碼器，采樣率范圍8kHz – 96kHz，在一定模式下可直接生成一般MP3的所有采樣率(incl. )。WM8731帶有一個(gè)片上時(shí)鐘發(fā)生器，支持多種時(shí)鐘模式?？刂破骺赏ㄟ^控制接口對WM8731中的寄存器進(jìn)行編程配置，該控制接口符合的SPI（三線操作）和I2C（雙線操作）規(guī)范。它具有2線和3線兩種模式。本開發(fā)板電路中MODE為0，本設(shè)計(jì)采用2線模式對WM8731進(jìn)行控制。表一、WM8731內(nèi)部寄存器地址及其功能介紹：寄存器地址00H02H04H06H08H0A0C0E