【正文】 示、 TFT液晶驅(qū)動(dòng) 、觸摸屏原理 、SD卡存儲(chǔ)控制 以及 FAT32文件系統(tǒng) 等消費(fèi)類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù) 。數(shù)碼音樂相冊(cè)在現(xiàn)在電子市場(chǎng)已經(jīng)很普遍，但是多用專用芯片制作。 通過完成軟、硬件的工作，最終實(shí)現(xiàn)基于 SOPC 電子音樂相冊(cè)的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)采用 DE2 開發(fā)板作為主板，提出了一種基于 Nios II 的數(shù)碼音樂相冊(cè)。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 i 基于 SOPC的電子音樂相冊(cè) 摘要： 嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今 IT 界最熱門的概念之一 。 尤其是 電子數(shù)碼產(chǎn)品 ，其 更新?lián)Q代迅速，從最初的分立元件到現(xiàn)在的集成芯片，產(chǎn)品的體積越來越小，而所展現(xiàn)出來的功能卻是越來越強(qiáng)大。 軟件部分主要負(fù)責(zé) SD 卡、 TFT 液晶、觸摸芯片和音頻模塊的底層驅(qū)動(dòng)程序以及整個(gè)應(yīng)用程序的編寫。它們?yōu)槿粘Ｉ钐峁┝藰O大的幫助 [1]。在設(shè)計(jì)這個(gè)微處理器同時(shí)能充分了解單片機(jī)的構(gòu)造原理，總線原理以及工作過程 [3]，并對(duì)很多高級(jí)外圍設(shè)備的操作加深理解，對(duì)提高大學(xué)生電 子設(shè)計(jì)理論水平有積極意義。 該題目接近生活使用品，實(shí)用性很強(qiáng)，軟硬件搭配得很 好，并且與單片機(jī)原理很好的結(jié)合。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(shí)現(xiàn)電子音樂相冊(cè)的功能 [1]。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)以及原理 電子音樂相冊(cè) 簡(jiǎn)介 數(shù)碼音樂相冊(cè)主要是在 TFT 液晶上采用觸摸控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖片的顯示以及MP3 的播放，主要實(shí)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(shí)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(chǔ)，方便在線更改 SD 卡數(shù)據(jù)； 電子音樂相冊(cè) 整體方案 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)碼音樂相冊(cè)采用 VS1003B 作為音頻解碼芯片 ，用于播放音頻數(shù)據(jù)。它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的能力。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(shí)現(xiàn)其它的附加邏輯 [1]。由于 SOPC 的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而 BGA封裝已被廣泛應(yīng)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(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。 SOPC 技術(shù)主要應(yīng)用以下三個(gè)方向： ? 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的應(yīng)用。用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，利用相應(yīng)的EDA 工具，對(duì) NIOS II 及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建 [1]，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 要求 ； ? 基于 HardCopy 技術(shù)的應(yīng)用。在邏輯功能上，它們是 32 位的精簡(jiǎn)指令集 CPU；在實(shí)現(xiàn)方式上，它們是在 FPGA上通過編程的方式實(shí)現(xiàn)的，這也是與傳統(tǒng)的 CPU 的一個(gè)根本的差別。 Nios II 有三個(gè)型號(hào)，分別為 e 型、 S 型、 f 型，它們分別是針對(duì)不同應(yīng)用要求優(yōu)化的。它們的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)可以是 Altera 的 任何一款 FPGA。而用戶自定義指令在專項(xiàng)處理方面要優(yōu)于原有指令，因?yàn)樗怯嗅槍?duì)性的設(shè)計(jì)的，所以，應(yīng)用用戶自定義指令可以在不改變 CPU 主頻的情況下大大 提高系統(tǒng)處理能力。諾依曼特性時(shí)又可以把兩套總線合二為一 [1]，從而在局部實(shí)現(xiàn)馮 FPGA芯片 開發(fā)板的核心是 Altera公司的 Cyelone II系列的 FPGA芯片 EP2C35F672C6，其包括 5， 980 個(gè)邏輯單元 (LEs)，一個(gè) 32 位 NiosII 軟核 CPU 的 LE 單元，用 EPIC6F256 完全能滿足要求。 FLASH 型號(hào)是 S29AL032D， SDRAM 型號(hào)是A2V64S40CTP[4]。 SDRAM 用來運(yùn)行產(chǎn) uClinux 操作系統(tǒng)，存儲(chǔ)量為 8M字節(jié)， SDRAM 比較便宜，但需要實(shí)現(xiàn)刷新操作、行列管理、不同延時(shí)和命令序列等邏輯。配置數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到 FPGA 的SRAM 單元。 Cyclone II FPGA 的配置方式包括 :主動(dòng)配置模式 (AS)、被動(dòng)式 (PS)和 JTAG 配置模式。 在 Quartus II 軟件 中 建立一個(gè)工程文件，便可以使用 SOPC Builder 進(jìn)行 Nios II 系統(tǒng)的構(gòu)建。 考 慮到本課題所需資源節(jié)約與 Nios II 經(jīng)濟(jì)型和快速型之間 [4]，所以選用的類型為標(biāo)準(zhǔn)型。 完成之后所得到 CPU 如下圖所示： (2) SDRAM、 Flash 卡等存儲(chǔ)器接口模塊，本設(shè)計(jì)使用 SRAM 作為系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (3)UART 模塊和 PIO 口總線模塊，其中串口用于調(diào)試的需要，系統(tǒng)也可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展串口外設(shè)將串口波特率設(shè)置為最大的 115200bps， PIO 口則用于控制 SD 卡、 TFT 液晶、觸摸芯片以及音頻模塊這幾個(gè)外設(shè)。擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。 SD 卡主要應(yīng)用于以下的手提數(shù)碼裝置：數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)相片及短片，數(shù)碼攝錄機(jī)存儲(chǔ)相片及短片，個(gè)人數(shù)碼助理 (PDA)存儲(chǔ)各類資料，多媒體播放器等。其中 SD 方式采用 6 線制，使用 CLK、 CMD、 DAT0~DAT3 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 在兩種 通信 方式 中 SD 卡管腳的具體功能也會(huì)相應(yīng)改變 ，如 圖 42 所示 ： 圖 42 SD卡兩種模式下的管腳定義 3． SD 卡硬件連接 在 NIOS II 中，我設(shè)計(jì)了 4 個(gè) IO 口和 SD 卡 連接，用于 SD 卡的控制 ，由于NIOS II 硬件 SPI 不能在線更改 SPI 通信速率，所以，采用 IO 口模擬 SPI 模式 進(jìn)行通信 。 其余的位都是 SPI 通信固定位 。 1． 復(fù)位 SD 卡 首先，查閱到 SD 卡數(shù)據(jù)手冊(cè)的復(fù)位時(shí)序如 圖 45 所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 圖 45 SD卡復(fù)位時(shí) 序 復(fù)位 SD 卡指令位 CMD0，指令碼為 {0x40， 0x00， 0x00， 0x00， 0x00， 0x95}，用于復(fù)位 SD 卡工作于 SPI 通信模式，同時(shí)使 SD 卡進(jìn)入休眠模式 。 初始化指令和復(fù)位指令一樣，對(duì)于 SPI 時(shí) 鐘速度要求比較低 。 VS1003B 支持 MP MP3+V、 WMA、 WAV、 MIDI 和 SPMIDI 格式的音頻解碼播放 。 2． VS1003B 于 NIOS II 的硬件連接 在 SOPC 設(shè)計(jì)時(shí)候， 設(shè)計(jì)了 7 個(gè) 專用 IO 口，以供操作 VS1003B 使用 ，硬件連接圖如 圖 411 所示 ： 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 18 N I O S I IX R S T _ I OX D C S _ I OX C S _ I OM I S OX C SS C L KD ID OV S 1 0 0 3 BM O S IS C L KD R E Q _ I OD R E QX D C SX R E S E T 圖 411 NIOS II與 VS1003B連接圖 VS1003B驅(qū)動(dòng)時(shí)序 VS1003B 共有 16 個(gè) 16 位 控制 寄存器 ，地址分別為 0x0~0x0F，通過 SCI 通信對(duì)寄存器 配置 和 SDI 進(jìn)行傳送解碼數(shù)據(jù) ， 使它能正確播放音頻文件 。 配置 程序流程圖如 圖 414 所示 ： V S 1003B硬 件 復(fù) 位腳 給 個(gè) 10M S以 上低 脈 沖 復(fù) 位 硬 件開 始D E R Q == 1Y軟 件 復(fù) 位 ，往 M O D E寫 入 0X 0804設(shè) 置 V S 1003B時(shí) 鐘 寄 存 器設(shè) 置 V S 1003B采 樣 率 寄 存 器音 量 大 小 和重 低 音 設(shè) 置結(jié) 束發(fā) 送 4字 節(jié)無 效 數(shù) 據(jù) 圖 414 VS1003B初始化程序流程圖 2． VS1003B 寫入數(shù)據(jù) 正確配置好 VS1003B 后，即可往 VS1003B 中寫入數(shù)據(jù) ，程序流程圖如 圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 20 415 所示 ： 開 始結(jié) 束D E R Q == 1Y連 續(xù) 寫 入 32個(gè) 字 節(jié)的 音 頻 數(shù) 據(jù) 圖 415 音頻數(shù)據(jù)寫入流程圖 最終應(yīng)用程序使用的兩個(gè)程序?yàn)椋? void VS1003_init(void)； // VS1003B 初始化 void VS1003_data(uint8 *pDat)。 HX8347 支持 4 種接口方式 ： 8/9/16/18 位 i80 系統(tǒng)總線 、 SPI 總線 、 寄存器接口方式和 RGB 接口方式 。在使用液晶前必須對(duì)大部分寄存器初始化，寄存器操作非常重要，如 圖 417 所示 ， 寄存器操作使用 CS、 RS、 RD、 WR、 DATA[7： 0]這幾個(gè)腳進(jìn)行操作。 液晶的顯示緩沖區(qū)設(shè)置相關(guān)的寄存器為： 列起始地址寄存器 （地址 0x02,0x03） ： 列起始地址寄存器是設(shè)置顯示區(qū)域的列起始地址寄存器 ， 16 位列起始地址分為高 8 位和低 8 位分別寫入地址為 0x02 和 0x03 的寄存 器，即完成起始地址的設(shè)置 。 任意 坐標(biāo) 打點(diǎn)函數(shù) ： /*********************************************************** * 函數(shù)名稱： GUI_Point * 函數(shù)功能：畫點(diǎn)函數(shù)，在屏幕上指定坐標(biāo) 畫一個(gè)點(diǎn) * 入口參數(shù)： ucX 橫坐標(biāo) * ucY 縱坐標(biāo) * color 打點(diǎn)顏色 * 出口參數(shù)：無 ***********************************************************/ void GUI_Point (uint16 ucX, uint16 ucY, uint16 color) 畫橫線函數(shù) ： /*********************************************************** * 函數(shù)名稱： GUI_HLine * 函數(shù)功能： 畫橫線函數(shù) * 入口參數(shù)： uiXstart 橫坐標(biāo)起始 * uiY 縱坐標(biāo) * uiXend 橫坐標(biāo)結(jié)束 * uiColor 顯示顏色 * 出口參數(shù)：無 ***********************************************************/ void GUI_HLine(uint16 uiXstart, uint16 uiY, uint16 uiXend, uint16 uiColor)。 當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，電阻薄膜屏 的 兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在 X 和 Y 兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后送觸摸屏控制器。 UH7843 管腳信息： CS： UH7843 片選信號(hào)； SCLK： UH7843 時(shí)鐘信號(hào)； DIN： UH7843 數(shù)據(jù)輸入信號(hào)； 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 DOUT： UH7843 數(shù)據(jù)輸出信號(hào)； BUSY： UH7843 忙信號(hào)； IRQ： UH7843 中斷信號(hào)。聲音進(jìn)入計(jì)算機(jī)的第一步就是進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字化實(shí)際上就是將模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化。奈奎斯特理論中指出，采樣頻率不應(yīng)該低于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍，這樣才能把數(shù)字信號(hào)還原為原來的模擬信號(hào)。人耳能夠感覺到的最高頻率是 20kHz，因此為了滿足人耳的聽覺要求，則需要至少每秒進(jìn)行 40k 次采樣，采樣頻率一般分為 、 、 48kHz 和 94kHz。量化后的數(shù)值與原來的采樣值是有誤差的，這個(gè)數(shù)值就是量化精度。 1． WAV 格式 WAV 為 微軟公司 (Microsoft)開發(fā)的一種聲音 文件格式 。 WAV 音頻格式的優(yōu)點(diǎn)包括：簡(jiǎn)單的編 /解碼 (幾乎直接存儲(chǔ)來自模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的信號(hào) )、普遍的認(rèn)同 /支持以及無損耗存儲(chǔ)。 WMA 針對(duì)的不是單片機(jī)，而是網(wǎng)絡(luò)。 MP3 是利用 MPEG Audio Layer 3 的技術(shù)，將音樂以 1:10 甚至 1:12 的 壓縮率 ，壓縮成容量較小的 file，換句話說，能夠在音質(zhì)丟失很小的情況下把文件壓縮到更小的程度。使用 MP3 播放器 對(duì) MP3 文件 進(jìn)行實(shí)時(shí)的 解壓縮 (解碼 )，這樣，高品質(zhì)的 MP3 音樂就播放出來了。當(dāng)放大位圖時(shí)，可以看見賴以構(gòu)成整個(gè)圖像的無數(shù)單個(gè)方塊。 1． 位圖文件 頭 位圖文件頭占用位圖文件的 最開始 14 個(gè)字節(jié) ， 包含文件類型、文件大小、