李柯南 張北南 北方工業(yè)大學(xué)

I2C接口音頻Codec音樂播放器

李柯南 張北南 北方工業(yè)大學(xué)

I2C接口音頻Codec音樂播放器的作用是使用加載SOPC的VHDL芯片作為核心實現(xiàn)音樂播放功能。本系統(tǒng)可以通過Nios II加載音樂文件和播放程序來自由的控制播放的長度和播放內(nèi)容，最后通過TLV320AIC23的解碼來實現(xiàn)音樂的輸出。

音樂播放；I2C；SOPC；FPGA；Nios II

此系統(tǒng)為基于SOPC的VHDL音樂播放設(shè)備，通過加載音樂文件（wav格式）于線性FLASH芯片中，經(jīng)過VHDL控制，通過I2C接口技術(shù)傳輸給TLV320音頻解碼芯片來實現(xiàn)音樂播放。具體關(guān)系圖如圖1。

圖1

VHDL部分

系統(tǒng)的核心為 Altera公司的CycloneII VHDL芯片，其為Cyclone的下一代產(chǎn)品，2005年開始推出，90nm工藝，1.2v內(nèi)核供電，屬于低成本FPGA，性能和Cyclone相當(dāng)，提供了硬件乘法器單元。芯片內(nèi)控制單元使用VHDL語言編寫。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分,及端口)和內(nèi)部（或稱不可視部分），即涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。

本系統(tǒng)的VHDL部分主要由SOPC部分構(gòu)成，其他還包括I2C編碼部分，分頻器部分等。

I2C編碼部分：（圖2）

圖2

系統(tǒng)中使用I2C音頻傳輸協(xié)議來對TLV320音頻編解碼芯片的控制端進(jìn)行控制。I2C即Inter－Integrated Circuit總線是一種兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。I2C總線的另一個優(yōu)點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個主控能夠控制信號的傳輸和時鐘頻率。當(dāng)然，在任何時間點上只能有一個主控。

SOPC部分

本系統(tǒng)中使用SOPC（System-ona-Programmable-Chip），即可編程片上系統(tǒng)。SOPC它是用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上,來用于嵌入式系統(tǒng)的研究和電子信息處理。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng),它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能，但它不是簡單的SOC,它也是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

此SOPC為泛用型版本，其中包括CPU部分、Jtag接口部分、SDram部分、Timer部分、Bus部分、Flash部分、鍵盤響應(yīng)部分、單通道音頻輸出部分、RS232接口部分、I2C編碼解碼部分、Lcd顯示部分等。（圖3）

圖3

Nios II部分

本系統(tǒng)的程序和加載部分使用Altera公司的Nios II IDE。Nios II IDE提供了完整的C/C++軟件開發(fā)套件，包括編輯器、項目管理器和構(gòu)建工具、調(diào)試器和兼容CFI（Common Flash Interface）的Flash編程器。調(diào)試器連接多種目標(biāo)系統(tǒng)，包括FPGA硬件（通過JTAG電纜）、Nios II指令集仿真器和ModelSim-Altera軟件，因而能夠提供最靈活的調(diào)試方案。支持Nios II片內(nèi)設(shè)備核的強大功能。

本系統(tǒng)中使用Nios II IDE加載音樂文件到板上的閃存當(dāng)中，并且加載音樂播放程序來對SOPC進(jìn)行音樂播放控制

TLV320部分

本系統(tǒng)中使用TLV320AIC23作為解碼芯片。TLV320 AIC23是TI公司的一款高性能立體聲音頻A／D，D／A放大電路。AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換部件高度集成在芯片內(nèi)部，采用了先進(jìn)的過采樣技術(shù)。AIC23的外部硬件接口分為模擬口和數(shù)字口。模擬口是用來輸入輸出音頻信號的，支持線路輸入和麥克風(fēng)輸入；

圖4

串行控制總線采用I2C協(xié)議，而串行音頻數(shù)據(jù)總線在多種模式下為可編程，其中包括I2S、左/右對齊、DSP或TDM模式。該器件還提供高度可編程的PLL，以實現(xiàn)高靈活性的時鐘生成，并支持各種可用MCLK的所有標(biāo)準(zhǔn)音頻速率，頻率范圍為512kHz至50MHz，其中要特別注意的是最常見的12MHz、13MHz、16MHz、19.2MHz與19.68MHz系統(tǒng)時鐘。

TLV320DAC32芯片的設(shè)計部分：系統(tǒng)時鐘使用12M的晶振，功放輸出口接入由LM386組成的放大電路后接揚聲器，耳機輸出口接到3.5MM耳機接口。

線性FLASH部分

音樂文件（wav格式）通過Nios II IDE加載到板上的線性FLASH上，然后通過Nios II IDE加載C++程序與SOPC即VHDL芯片上來實現(xiàn)音樂文件的播放。

程序中對音頻文件大小進(jìn)行了限制，總共為416275*4bit?？梢愿鶕?jù)實際音樂的長度大小進(jìn)行變換。

PCB制版

左側(cè)為VHDL芯片的核心板，右側(cè)為TLV320DAC32的相關(guān)電路部分。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.054