使用FPGA播放音頻文件

讓我們看一下I2S規(guī)范，并嘗試用FPGA播放音頻文件。

開(kāi)篇第一步

Inter-IC Sound Interface（簡(jiǎn)稱I2S）是由飛利浦公司開(kāi)發(fā)，用于通過(guò)不同IC之間的串行接口（例如從處理器到DAC）傳輸數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。該接口使用以下信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：

SCK （串行時(shí)鐘）——用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘。

SD （串行數(shù)據(jù)）- 每個(gè)數(shù)據(jù)字的各個(gè)位通過(guò)該線傳輸。

WS （字選擇）- 定義傳輸數(shù)據(jù)字的長(zhǎng)度。它用于標(biāo)記右或左音頻通道。

僅音頻數(shù)據(jù)通過(guò) I2S 傳輸。附加數(shù)據(jù)（例如各個(gè)總線用戶的配置）通過(guò)其他接口傳輸。數(shù)據(jù)傳輸總是在兩個(gè)總線之間沿一個(gè)方向進(jìn)行，其中一路總線必須充當(dāng)主機(jī)并負(fù)責(zé)生成時(shí)鐘信號(hào)。在由多個(gè)發(fā)送器和接收器組成的復(fù)雜系統(tǒng)中，時(shí)鐘信號(hào)由外部總線主控器生成，并且相應(yīng)的發(fā)送器生成數(shù)據(jù)。

所有數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制補(bǔ)碼和 MSB 優(yōu)先的方式傳輸。如果接收方和發(fā)送方的字寬存在正差（即一方的字寬小于另一方的字寬），則剩余位填充0。根據(jù)規(guī)范，數(shù)據(jù)可以同步于正時(shí)鐘沿或負(fù)時(shí)鐘沿，從而數(shù)據(jù)總是在負(fù)時(shí)鐘沿讀入。

WS信號(hào)選擇活動(dòng)通道，并將低或高相位內(nèi)的所有數(shù)據(jù)分配給相應(yīng)的通道：

WS = 0 – 通道 1（左）

WS = 1 – 通道 2（右）

?WS信號(hào)必須在下一個(gè)數(shù)據(jù)字的 MSB 之前的一個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)生變化，以便接收器可以將數(shù)據(jù)讀入正確的通道。WS信號(hào)的時(shí)鐘頻率通常對(duì)應(yīng)于音頻信號(hào)的采樣頻率。

在這篇文章中，展示如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的 I2S 發(fā)射器，并使用 CS4344 立體聲 D/A 轉(zhuǎn)換器通過(guò)揚(yáng)聲器輸出恒定的聲音。

要輸出的聲音將存儲(chǔ)在 FPGA 的block memory中，并由發(fā)送器讀出，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 D/A 轉(zhuǎn)換器。整個(gè)項(xiàng)目分為三個(gè)部分，將逐步討論：

集成系統(tǒng)時(shí)鐘和I2S模塊的Top設(shè)計(jì)

集成ROM和I2S發(fā)送器的I2S模塊

I2S發(fā)送器

I2S發(fā)送器

設(shè)計(jì)的最底層應(yīng)該是 I2S 發(fā)送器，其任務(wù)是通過(guò) I2S 接口發(fā)送各個(gè)數(shù)據(jù)字。

該框圖產(chǎn)生了以下發(fā)送器：

entityI2S_Transmitteris
Generic(WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
Ready:outSTD_LOGIC;
Tx:inSTD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0);
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endI2S_Transmitter;

數(shù)據(jù)字的大小通過(guò)WIDTH參數(shù)定義。

三級(jí)狀態(tài)機(jī)控制發(fā)送器，描述如下：

architectureI2S_Transmitter_ArchofI2S_Transmitteris

typeState_tis(State_Reset,State_LoadWord,State_TransmitWord);

signalCurrentState:State_t:=State_Reset;

signalTx_Int:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0');
signalReady_Int:STD_LOGIC:='0';
signalLRCLK_Int:STD_LOGIC:='1';
signalSD_Int:STD_LOGIC:='0';
signalEnable:STD_LOGIC:='0';

begin

process
variableBitCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilfalling_edge(Clock);

caseCurrentStateis
whenState_Reset=>
Ready_Int<=?'0';
????????????????LRCLK_Int?<=?'1';
????????????????Enable?<=?'1';
????????????????SD_Int?<=?'0';
????????????????Tx_Int?<=?(others?=>'0');
CurrentState<=?State_LoadWord;
????????????when?State_LoadWord?=>
BitCounter:=0;
Tx_Int<=?Tx;
????????????????LRCLK_Int?<=?'0';
????????????????CurrentState?<=?State_TransmitWord;
????????????when?State_TransmitWord?=>
BitCounter:=BitCounter+1;
if(BitCounter>(WIDTH-1))then
LRCLK_Int<=?'1';
????????????????end?if;
????????????????if(BitCounter?

	

	復(fù)位期間，輸出信號(hào)被置位，SCLK時(shí)鐘被停用。復(fù)位后，機(jī)器從State_Reset狀態(tài)變?yōu)镾tate_TransmitWord狀態(tài)。在此狀態(tài)下，機(jī)器Tx_Int通過(guò) I2S 接口傳輸緩沖區(qū)的內(nèi)容。

	一旦開(kāi)始傳輸最后一個(gè)數(shù)據(jù)位，Ready就設(shè)置為表示傳輸結(jié)束并準(zhǔn)備好接受新數(shù)據(jù)。然后機(jī)器更改為 stateState_LoadWord狀態(tài)，其中發(fā)送緩沖區(qū)填充有新的數(shù)據(jù)字并開(kāi)始新的傳輸。

	I2S模塊

	I2S 模塊使用 I2S 發(fā)送器將數(shù)據(jù)從 ROM 傳輸?shù)?D/A 轉(zhuǎn)換器。

	

	具有以下代碼：

	
entityI2Sis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(MCLK:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endI2S;


	

	參數(shù)RATIO 定義了SCLK與MCLK WIDTH的比率以及每個(gè)通道的數(shù)據(jù)字的寬度。

	除了 I2S 發(fā)送器之外，該模塊還使用 ROM，該 ROM 可以通過(guò)block memory生成器創(chuàng)建并填充數(shù)據(jù)。兩者都可以使用 Vivado 的 IP 來(lái)完成。

	

	最后，通過(guò)其他選項(xiàng)使用正弦信號(hào) coe 文件（參見(jiàn)附件）對(duì) ROM 進(jìn)行初始化。

	I2S 模塊使用狀態(tài)機(jī)從 ROM 讀取數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)?I2S 發(fā)送器。

	
architectureI2S_ArchofI2Sis

typeState_tis(State_Reset,State_WaitForReady,State_IncreaseAddress,State_WaitForStart);

signalCurrentState:State_t:=State_Reset;

signalTx:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0');
signalROM_Data:STD_LOGIC_VECTOR((WIDTH-1)downto0):=(others=>'0');
signalROM_Address:STD_LOGIC_VECTOR(6downto0):=(others=>'0');

signalReady:STD_LOGIC;
signalSCLK_Int:STD_LOGIC:='0';

componentI2S_Transmitteris
Generic(WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
Ready:outSTD_LOGIC;
Tx:inSTD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0);
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endcomponent;

componentSineROMis
Port(Address:inSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0);
Clock:inSTD_LOGIC;
DataOut:outSTD_LOGIC_VECTOR(15downto0)
);
endcomponentSineROM;

begin

Transmitter:I2S_Transmittergenericmap(WIDTH=>WIDTH
)
portmap(Clock=>SCLK_Int,
nReset=>nReset,
Ready=>Ready,
Tx=>Tx,
LRCLK=>LRCLK,
SCLK=>SCLK,
SD=>SD
);

ROM:SineROMportmap(Clock=>MCLK,
Address=>ROM_Address,
DataOut=>ROM_Data
);

process
variableCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilrising_edge(MCLK);
if(Counter
WordCounter:=0;
CurrentState<=?State_WaitForReady;
????????????when?State_WaitForReady?=>
if(Ready='1')then
CurrentState<=?State_WaitForStart;
????????????????else
????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForReady;
????????????????end?if;
????????????when?State_WaitForStart?=>
ROM_Address<=?STD_LOGIC_VECTOR(to_unsigned(WordCounter,?ROM_Address'length));
????????????????Tx?<=?x"0000"?&?ROM_Data;
????????????????if(Ready?=?'0')?then
????????????????????CurrentState?<=?State_IncreaseAddress;
????????????????else
????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForStart;
????????????????end?if;
????????????when?State_IncreaseAddress?=>
if(WordCounter

	

	第一個(gè)過(guò)程用于從MCLK生成發(fā)送器所需的時(shí)鐘信號(hào)SCLK 。

	
process
variableCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilrising_edge(MCLK);
if(Counter

	

	第二個(gè)進(jìn)程負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)的處理。離開(kāi)State_Reset狀態(tài)后，機(jī)器在該State_WaitForReady狀態(tài)下等待，直到發(fā)送器發(fā)出就緒信號(hào)Ready 。??

	一旦發(fā)送器準(zhǔn)備就緒，機(jī)器就會(huì)更改State_WaitForStart狀態(tài)。在此狀態(tài)下，從 ROM 讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)字并將其傳輸?shù)桨l(fā)送器。

	PS:此處顯示的 ROM 僅包含一個(gè)通道的信息。第二個(gè)通道的數(shù)據(jù)需進(jìn)行擴(kuò)展。

	一旦發(fā)送器清除就緒信號(hào)并開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)就會(huì)更改為State_IncreaseAddress狀態(tài)。該狀態(tài)下ROM地址加1，然后切換回State_WaitForReady狀態(tài)

	top模塊

	最后一個(gè)組件是頂層設(shè)計(jì)，包括 I2S 模塊和時(shí)鐘PLL。

	本示例使用以下參數(shù)來(lái)控制 CS4344：

	MCLK：12.288MHz

	SCLK：1.536 MHz

	LRCLK：48kHz

	比率：8

	寬度：16

	時(shí)鐘PLL生成 12.288 MHz 時(shí)鐘，并與之前代碼中完成的 I2S 模塊一起實(shí)例化。

	

	
entityTopis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
MCLK:outSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC;
LED:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0)
);
endTop;

architectureTop_ArchofTopis

signalnSystemReset:STD_LOGIC:='0';
signalMCLK_DCM:STD_LOGIC:='0';
signalLocked:STD_LOGIC:='0';

componentI2Sis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(MCLK:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endcomponent;

componentAudioClockis
Port(ClockIn:inSTD_LOGIC;
Locked:outSTD_LOGIC;
MCLK:outSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC
);
endcomponent;

begin

InputClock:AudioClockportmap(ClockIn=>Clock,
nReset=>nReset,
MCLK=>MCLK_DCM,
Locked=>Locked
);

I2S_Module:I2Sgenericmap(RATIO=>RATIO,
WIDTH=>WIDTH
)
portmap(MCLK=>MCLK_DCM,
nReset=>nSystemReset,
LRCLK=>LRCLK,
SCLK=>SCLK,
SD=>SD
);

nSystemReset<=?nReset?and?Locked;
????LED(0)?<=?nReset;
????LED(1)?<=?Locked;
????LED(2)?<=?nSystemReset;
????MCLK?<=?MCLK_DCM;

end?Top_Arch;


	

	最后就可以進(jìn)行測(cè)試。理想情況下，D/A 轉(zhuǎn)換器輸出 480 Hz 正弦信號(hào)。因?yàn)閬?lái)自 ROM 的信號(hào)模式的長(zhǎng)度為 100 個(gè)樣本，采樣頻率為 48 kHz?？梢杂?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/577/" target="_blank">示波器檢查總線和信號(hào)：

	

	此外，還可以檢查音頻信號(hào)（示波器的 FFT 功能是實(shí)現(xiàn)此目的的最佳工具）。

	

	附件-Coe

	
memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
0000,
0809,
100A,
17FB,
1FD4,
278D,
2F1E,
367F,
3DA9,
4495,
4B3B,
5196,
579E,
5D4E,
629F,
678D,
6C12,
7029,
73D0,
7701,
79BB,
7BF9,
7DBA,
7EFC,
7FBE,
7FFF,
7FBE,
7EFC,
7DBA,
7BF9,
79BB,
7701,
73D0,
7029,
6C12,
678D,
629F,
5D4E,
579E,
5196,
4B3B,
4495,
3DA9,
367F,
2F1E,
278D,
1FD4,
17FB,
100A,
0809,
0000,
F7F7,
EFF6,
E805,
E02C,
D873,
D0E2,
C981,
C257,
BB6B,
B4C5,
AE6A,
A862,
A2B2,
9D61,
9873,
93EE,
8FD7,
8C30,
88FF,
8645,
8407,
8246,
8104,
8042,
8001,
8042,
8104,
8246,
8407,
8645,
88FF,
8C30,
8FD7,
93EE,
9873,
9D61,
A2B2,
A862,
AE6A,
B4C5,
BB6B,
C257,
C981,
D0E2,
D873,
E02C,
E805,
EFF6,
F7F7,


	

	下一篇文章，將向 I2S 發(fā)送器添加 AXI-Stream 接口，并將其與 ZYNQ 的處理系統(tǒng)連接，播放 SD 卡中的音頻文件。

	審核編輯：湯梓紅