【正文】 壓等優(yōu)點(diǎn)。2 器件介紹 WM8731 WM8731概述WM8731是一款具有低功耗、高品質(zhì)的音頻編碼解碼芯片，其自帶有耳機(jī)驅(qū)動(dòng)，MIC音頻接口，專為便攜數(shù)字音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。圖基于FPGA的音頻處理系統(tǒng)其主要內(nèi)容包括對(duì)音頻編/解碼芯片WM8731的I2C總線配置模塊的設(shè)計(jì)方法。 課題研究的內(nèi)容本課題主要研究基于FPGA的音頻處理技術(shù)，利用FPGA器件對(duì)音頻處理芯片WM8731進(jìn)行相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的處理。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。用戶可依據(jù)設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用相應(yīng)的EDA工具，構(gòu)建處理器及外圍設(shè)備，使該SOPC系統(tǒng)在軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、占用的資源、功能特點(diǎn)等方面全方位地滿足客戶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。2）基于FPGA嵌入IP軟核的應(yīng)用。這種應(yīng)用是指在FPGA中植入處理器。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。利用SOPC Builder和Quartus II可以很方便定制Nios II CPU的許多特性或者指令，設(shè)計(jì)者可使用Quartus II中自帶的大量IP核來加快開發(fā)速度，提高外設(shè)性能，同時(shí)也可以應(yīng)用第三方的IP核來自行定制外設(shè)?；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。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也不斷出現(xiàn)，比如如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。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)。所謂片上系統(tǒng)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；而可編程的優(yōu)越性，使其具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。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。另一種方法是用電腦作為主處理器,掛接幾塊數(shù)字化信號(hào)處理板組成數(shù)字化處理系統(tǒng)，主要用于音頻識(shí)別、音頻合成等。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。音頻信號(hào)處理系統(tǒng)要求,音頻信號(hào)在通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換后,要盡可能接近輸入的模擬信號(hào),做到盡量可能少的失真,還要把噪聲盡可能地過濾到,達(dá)到完美的語音音質(zhì)。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?cè)谝糍|(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)。最終很輕便的手持式設(shè)備甚至都可以實(shí)現(xiàn)影院級(jí)音質(zhì)。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。新型的多媒體產(chǎn)品需要全16位的音頻重現(xiàn)，以支持市場(chǎng)所要求環(huán)繞聲、回響和音樂廳效果等越來越多的空間特點(diǎn)。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。市場(chǎng)希望在更小的器件上存儲(chǔ)更多的音樂，這種需求催生出MP3等壓縮技術(shù)，進(jìn)而需要數(shù)字放大器電路來滿足這些新型媒體。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。由于所有的音源都是模擬式的，聽得見的噪聲背景限制了可重復(fù)的動(dòng)態(tài)范圍。模擬放大器是絕對(duì)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。當(dāng)時(shí)由于使用的是質(zhì)量相對(duì)較低的存儲(chǔ)媒體(vinyl和磁帶)、傳輸和接收技術(shù)(AM收音機(jī)和VHS電視)也不夠完美，音質(zhì)下降的問題顯得還不是那么明顯和突出，但是現(xiàn)在的情況已全然不同。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(chǎng)。但晶體管技術(shù)至少具有兩個(gè)重大缺陷。 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(duì)數(shù)字音頻技術(shù)的研究符合市場(chǎng)與科技需求。一個(gè)LE是由觸發(fā)器、LUT與控制邏輯組成的，從而同樣可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯和時(shí)序邏輯。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(zhǎng)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。但是Ross預(yù)計(jì)：根據(jù)摩爾定律（每18個(gè)月晶體管密度翻一翻），晶體管肯定會(huì)越來越便宜，因此它必將成為未來不可或缺的技術(shù)。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。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) FPGA的發(fā)展歷程FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。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(duì)于解決對(duì)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(shì)。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器采用乘法和累加結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行多次的乘法和加法運(yùn)算。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?，F(xiàn)在音頻處理技術(shù)的任務(wù)越來越復(fù)雜,對(duì)信號(hào)處理的效果要求不斷提高,音頻處理技術(shù)的算法也越來越復(fù)雜，要求在幾十ms甚至幾ms的時(shí)間內(nèi)完成音頻信號(hào)大量的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸,這就對(duì)音頻處理系統(tǒng)處理器的運(yùn)算速度提出了更高的要求。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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 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(chǎng),滿足了多層次消費(fèi)者的不同需要。在這些科技產(chǎn)品的快速發(fā)展過程中，數(shù)字音頻技術(shù)在其中扮演著重要的角色。 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(duì)數(shù)字音頻技術(shù)的研究符合市場(chǎng)與科技需求。音頻信號(hào)處理技術(shù)包含的內(nèi)容非常多,主要有信號(hào)存儲(chǔ)、語音合成、語音識(shí)別、音頻壓縮、語音理解、音頻編碼、語音識(shí)別、語音增強(qiáng)等多個(gè)分支,總而言之,音頻信號(hào)處理技術(shù)包括音頻信號(hào)的數(shù)字化處理、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)、數(shù)字化變換、數(shù)字化存儲(chǔ)、數(shù)字化傳播、及音頻的變換、語音的處理、語音的識(shí)別等自然科學(xué)多個(gè)領(lǐng)域的綜合運(yùn)用。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(duì)體積小、功耗小信號(hào)處理速度高的要求?；贔PGA器件的音頻信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方案,在于對(duì)聲音信號(hào)的收集、處理及應(yīng)用,工作的重點(diǎn)是在噪聲環(huán)境中如何能有效地地把需要的語音信號(hào)提取出來開,消除或者衰減噪聲,這涉及到濾波器的設(shè)計(jì),通過數(shù)字濾波來處理噪聲信號(hào)。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)?！彼匀藗冋J(rèn)為Ross的想法過于脫離現(xiàn)實(shí)。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(chǎng)可編程門陣列（FPGA）市場(chǎng)。一般來說，F(xiàn)PGA內(nèi)部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出模塊與片內(nèi)外設(shè)組成的，而最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小單元，設(shè)計(jì)者只能將這些單元通過互聯(lián)線將其連接起來，然后實(shí)現(xiàn)特定的功能。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(duì)象，通過這些開關(guān)來改變功能。20世紀(jì)50年代開發(fā)成功的晶體管，代表著音頻放大技術(shù)的巨大飛躍。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。第二個(gè)問題不太重要，即以幾乎無法承受的價(jià)格批量生產(chǎn)晶體管，意味著要大幅放寬這些元件的誤差標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致信號(hào)失真上升或者音質(zhì)下降。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。這樣大手大腳地使用電源根本不適合目前電池供電的產(chǎn)品和外形纖巧的消費(fèi)電子設(shè)備。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。唱片和磁帶開始消失，讓位于光盤(CD)。數(shù)字記錄設(shè)備和輸出生成非常精確的聲音。早期的數(shù)字放大器與模擬音源配合得很好，在某種程度上與數(shù)字音源的配合也不錯(cuò)，但最多只能生成分辨率為12~。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。利用CD發(fā)行數(shù)字音頻，消除了音頻信號(hào)格式方面的一個(gè)弱點(diǎn)。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。首先是音質(zhì)，為了生成精確的音頻，除了在音源上進(jìn)行改進(jìn)之外，在音頻信號(hào)傳輸過程中，對(duì)音頻信號(hào)的優(yōu)化、處理也是一個(gè)重要的研究對(duì)象。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(zhǎng)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。這種方法常屬于專用處理系統(tǒng)，可以開發(fā)成為擁有獨(dú)立系統(tǒng)的產(chǎn)品使用。 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。它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），其次它是可編程系統(tǒng)。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?jī)?nèi)容，這也體現(xiàn)了其巨大的優(yōu)越性。傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀、數(shù)字示波器等等，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，而由于SOPC的設(shè)計(jì)是在在可編程邏輯器件中進(jìn)行的，并且BGA封裝已被大量應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，因此，這對(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。Nios II的硬件部分設(shè)計(jì)，其目的是為了定制合適的CPU和外設(shè)，這部分需要在SOPC Builder和Quartus II中完成。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。SOPC的應(yīng)用方向可總結(jié)如下：1）基于FPGA中嵌入IP硬核的應(yīng)用。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)。這種應(yīng)用是指在FPGA中植入軟核處理器，通常為NIOS II核。3）基于HardCopy技術(shù)的應(yīng)用。把ASIC的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和大容量FPGA的靈活性結(jié)合起來，這方面的應(yīng)用對(duì)于有較大批量要求以及對(duì)成本極為敏感的電子產(chǎn)品極為有利，避開了直接設(shè)計(jì)ASIC的困難。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。將FPGA與數(shù)字語音系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一個(gè)高質(zhì)量、易操作、易于移植的語音錄放系統(tǒng)。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. )。該芯片內(nèi)置耳機(jī)輸