器件与电路 囿 囿响圈＠６０，＠凹６ Ｊ 文章编号：１００２—８６８４（２０１１）０４－００２５－０３ 基于ＦＰＧＡ的音频存储与播放系统木 ·系统介绍· 洪传荣，唐磊，朱广信，徐红，常丽萍 （浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州３１００１４） 【摘要】设计了一种基于ＦＰＧＡ的音频存储与播放系统，通过ＦＰＧＡ实现了Ｉ。ｃ，Ｉ Ｓ，ＳＰＩ接口时序，并完成了Ｉ ｃ，ｓＤ 卡读写控制器的设计。基于ＦＰＧＡ芯片，结合ｓＤ卡和音频编解码芯片，最终实现了系统功能。总体设计可充分发 挥ＦＰＧＡ所具有的灵活性好、实时性能高及并行处理能力强的特点。 【关键词】ＦＰＧＡ；ＳＤ卡；音频编解码芯片 【中图分类号】ＴＮ９１２ 【文献标识码】Ａ Ａｕｄｉｏ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ Ｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＨＯＮＧ Ｃｈｕａｎｒｏｎｇ，ＴＡＮＧ Ｌｅｉ，ＺＨＵ Ｇｕａｎｇｘｉｎ，ＸＵ Ｈｏｎｇ，ＣＨＡＮＧ Ｌｉｐｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａ ＦＰＧＡ—ｂａｓｅｄ ａｕｄｉｏ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｐｌａｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉ２Ｃ，Ｉ２Ｓ，ＳＰＩ ｉｎｔｅｆｒａｃｅ ｔｉｍｉｎｇ ａｒｅ ｉｍｒ，ｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ＦＰＧＡ，ａｎｄ ｔｈｅ １２Ｃ，ＳＤ ｃａｒｄ ｒｅａｄｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｃｈｉｐ，ｗｉｔｈ ＳＤ ｃａｒｄ ａｎｄ ａｕｄｉｏ ｃｏｄｅｃ ｃｈｉｐ，ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｔａｋｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ＦＰＧＡ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ＦＰＧＡ；ＳＤ ｃａｒｄ；ａｕｄｉｏ ｃｏｄｅｃ ｃｈｉｐ １ 引言 经过了十几年的发展，ＦＰＧＡ在数字系统现场可 编程集成技术中的应用越来越广泛 。ＦＰＧＡ不仅可 以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题， 而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降 低。ＦＰＧＡ以其特有的优势，在未来现场可编程技术 中前景光明。 ２．０ ＧＢ的ＳＤ卡。音频芯片主要完成对模拟信号的Ａ／Ｄ 转换，并在播放音乐时对数字音频进行Ｄ／Ａ转换。ＳＤ 卡的作用是储存数字音频信号，并在播放音乐时给出 相应的数字音频信号。 ＦＰＧＡ内部所要实现的模块有，控制器、音频控制 和数据接口、ＳＰＩ接口、ＳＤ卡读写ＦＩＦＯ。控制器通过 Ｉ２Ｃ接口初始化音频芯片，通过ＳＰＩ接口实现ＳＤ卡的 读写操作。Ｉ ｓ接口是音频芯片数据通道，音频芯片 所有数据都经过该接口输入输出。由于ＳＤ卡读写速 度和音频播放、存储的速率相差不大，所以在读写ＳＤ 随着人们消费水平的提高和全社会信息化、数字 化程度的加快，数字化音频处理被广泛应用于各个领 域。如今ＳＤ卡容量越来越大，价格越来越低，用ＳＤ卡 存储数字音频是比较经济的选择。音频存储与播放 系统的实现方案也有很多选择 。笔者基于ＦＰＧＡ实 现对ＳＤ卡的读写，并在此基础上结合音频编解码芯 片ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ，完成了音频存储与播放系统。系 卡时需要读写ＦＩＦＯ作为数据缓存。本系统在Ａｔｅｒａ Ｃｙｃｌｏｎｅ ＩＩ ＥＰ２Ｃ３５ ＦＰＧＡ芯片上验证实现，试验结果 证明该系统能实现所设计的功能。系统结构框图如图 １所示。 统集成度高、可靠性强、存储容量大，并且实现成本低。 ２系统框架设计 本系统基于ＦＰＧＡ实现，ＦＰＧＡ外围芯片用到一 片音频编解码芯片ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ，以及一张容量为 【基金项目】浙江省自然科学基金项目（Ｙ１０９０３３８） 堕妻熊 垫 生篁堑堂蔓 塑囫 器件与电路 固旷 §圃响 ＠６。，＠ ６毡 ３硬件接口实现 系统涉及到的硬件接口有：ＳＰＩ接口、Ｉ ｓ接口、Ｉ２Ｃ 设计控制通道选用Ｉ ｃ模式，数据通道选用Ｉ ｓ模式。 Ｉ２Ｃ总线是一种由飞利浦公司开发的串行总线，它 接口。所有接口在ＦＰＧＡ芯片里通过编程实现。 ３．１ ＳＰＩ接口实现 ＳＤ卡有两种总线模式，即ＳＤ总线模式与ＳＰＩ总 线模式。ＳＤ总线模式采用４条线并行传输，数据传输 速率高，但是传输协议过于复杂。本系统对ｓＤ卡读写 速度没有要求，ＳＰ１只有一条数据线，传输协议简单，易 于实现。因此，对ＳＤ的操作选用ＳＰＩ总线模式，ＳＤ卡 与ＳＰＩ的端口连接如图２所示。 ＳＰＩ总线技术是ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司推出的一种同 步串行总线接口。ＳＰＩ总线主要通过三根线进行数据 传输，包括同步时钟线ＳＣＬＫ、主机输入，从机输出数据 线ＭＩＳＯ、主机输出／从机输人数据线ＭＯＳＩ。另外，它 还有一条低电平有效的从机片选线ｃｓ，片选信号以及 同步时钟脉冲由主机提供。ＳＰＩ总线模式的数据是以 字节为单位进行传输的，主机与ＳＤ卡的各种通信都 由主机控制。 用ＦＰＧＡ实现ＳＰＩ接口，是用硬件描述语言Ｖｅｒｉｌｏｇ 编写能生成相应电路的代码，使其实现ＳＰＩ接口时 序。音频存储和播放无需同时进行，因此本设计的 ＳＰＩ接口可以设计成半双工模式，读写切换通过读写 使能控制。ＳＤ卡的ＳＰＩ总线，在片选信号ｃｓ为低电平 时，ｓＤ卡读人数据在ＳＰＩＣＬＫ的上升沿输入锁存，输出 数据也是在上升沿。由图３可知，仿真符合ｓＤ卡ＳＰＩ 时序。 ３．２音频芯片控制、数据接口实现 音频芯片ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ控制通道有两种可选模 式，即：ＳＰＩ模式和Ｉ。ｃ模式。数据通道可选模式有４种， 即：左判断模式、右判断模式、ＤＳＰ模式和Ｉ２Ｓ模式。本 国垒塞蕉箜型】生蔓墅鲞箜 塑 以两根线实现完整的全双工同步数据传输，具有简单 和有效的优点。物理上Ｉ２ｃ总线一共有丽条信号线和 一条地线，两条信号线分别为数据线ＳＤＡ和时钟线 ＳＣＬ，并且都是双向传输。每一个挂在总线上的终端 设备都有其在总线上的唯一地址。并且，每一个终端 都可以作为主机（Ｍａｓｔｅｒ建立信道）或是从机Ｓｌａｖｅ应 答建立的信道）。ＦＰＧＡ通过Ｉ ｃ接口配置音频芯片， 使音频芯片在所配置的参数（采样率、工作模式、音量 大小等）下工作。 Ｉ ｃ总线数据的有效性，ＳＤＡ线上的数据必须在时 钟为高电平时保持稳定，数据线的电平状态只有在 ＳＣＬ线的时钟信号为低电平时才能改变。当ＳＣＬ线是 高电平时，ＳＤＡ线从高电平向低电平跳变时表示起始 条件，当ＳＣＬ是高电平时ＳＤＡ线由低电平向高电平跳 变时表示停止条件。由图４可知，仿真结果符合 时 序，接口能正确传输数据。 Ｉ ｓ总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音 频数据传输而制定的一种总线标准。Ｉ Ｓ总线拥有三 条数据线进行数据传输：一条双向数据传输线，一条 声道选择线和一条时钟线。在数据传输过程中，发 送端和接收端具有相同的时钟信号。发送端作为主 导装置时，产生位时钟信号、声道选择信号和数据。 ＦＰＧＡ内部需要设计能和音频芯片通信的Ｉ２Ｓ接口，音 频数据的存储与播放都要通过该接口进行。 本设计中把音频芯片采样时钟设置为４８ ｋＨｚ，采 样位数为１６位。左右声道切换时钟等于采样时钟 ＬＲＣＬＫ（４８ ｋＨｚ），数据位时钟ＢＣＬＫ为１２ＭＨｚ，所以串 行数据线上传输的是１６位有效数据，其余数据位时钟 周期对应的数据线上的数据为０。由图５可知，仿真 结果符合时序要求。 ４ 系统控制器设计 系统控制器包括音频芯片配置控制器和ｓＤ卡 器件与电路 囿 岛囿响圈＠６ ＠凹６ ０ 地发送初始化（ＣＭＤ１），直到主机收到ＳＤ卡的响应为 Ｏｌｈ，表明ＳＤ卡完成初始化过程。图７是通过Ｓｉｇｎａｌ— Ｔａｐ ＩＩ逻辑分析仪观察到的主机发送ＣＭＤ０时ＳＤ卡 的响应图。 控制器。配置控制器实现初始化ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ，ＳＤ 卡控制器由ＳＤ初始化控制器和ＳＤ读写控制器组 成，其中ＳＤ初始化控制器初始化ＳＤ卡，ＳＤ读写控制 器读写ＳＤ卡。 ４．１音频芯片配置控制器 音频芯片ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ内部有１ １个寄存器，该 芯片的初始化以及工作时的工作状态和功能都是通过 Ｉ Ｃ总线方式对其内部的这１ １个寄存器进行相应的配 置实现的。芯片配置数据存储在查找表中，该表中的 数据为ｌ６位，包括ＴＬＶ３２０ＡＩＣ２３Ｂ的寄存器地址和寄 存器数据。逐个写入寄存器的值，直到１１个寄存器配 置完为止。每个寄存器的配置分三步，当前寄存器配 置完成后再配置下一个寄存器。第一步，从查找表中 取出数据并将Ｉ Ｃ写使能置１，数据开始写入相应的寄 存器。第二步，等待数据传输结束使能，未收到使能返 回第一步，收到使能进行第三步。第三步，将查找表地 址加１准备下一个数据传输。到１ １个寄存器全部配置 完成后，结束工作。控制器状态机状态转移图如图６ 所示，通过环回实验验证，配置控制器能使音频芯片正 常工作。 ４．２ ＳＩ）卡控制器 ＳＤ卡控制的设计是整个系统的关键，包括初始化 控制器和读写控制器。在对ｓＤ卡进行读写操作前， 先要对ｓＤ卡进行初始化。ｓＤ卡接口选的是ＳＰＩ总线 模式，所以初始化要使ｓＤ卡进入ＳＰＩ模式。ｓＤ卡初 始化的时钟频率为０～４００ ｋＨｚ，ＳＤ卡上电后，主机必须 向ＳＤ卡发送７４＋个时钟周期，以完成ＳＤ卡上电过 程。再发送复位命令（ＣＭＤ０），若收到ＳＤ卡响应为 ０１ｈ，则说明ｓＤ卡进入ＳＰＩ模式。此时，主机可以不断 ＳＤ卡的读过程和写过程类似，所以只论述读过 程。ＳＤ卡的数据传输主要通过块读写来实现，块长度 默认为５１２ ｂｙｔｅ，即ＳＤ卡的一个扇区。块读取时，可 发送命令ＣＭＤ１７，接收到的应答信号为００ｈ。这样就 可以直接接收数据了，接收到的数据的第１个字节为 数据令牌ＦＥｈ，后面的为接收到的数据，当输出口变为 高电平时，表明读操作完成。图８所示为ＳＤ卡单块数 据读操作流程图。 ＳＤ卡初始化和读写的时钟频率相差很大，因此把 初始化控制器和读写控制器分为两个模块实现。ＳＤ 卡先通过初始化控制器对ｓＤ卡初始化，初始化成 功后初始化控制器停止工作并产生相应使能使读写 控制器开始工作。通过验证，该控制器能初始化ｓＤ 卡，对ｓＤ卡进行读写操作。图９所示为ＳＤ卡控制器 框图 （下转第３１页） 堕妻鲢 生蔓堑鲞蔓 塑囫 器件与电路广］ 圈 §囿响圈＠６ ＠凹６ Ｊ ｌ－ ‘ｔ ｜％｜ｇ§《 ＡＭＰ 放大 ＡＤ数据转化 ＤＡ数据转换 一 删 Ｌ ”Ｉ ＿“ ｌ 月 魏糍 郦 瓣蹄舔潍罐荤嚣肇罄藉 瓣 黝 咄 。 １日Ｈｎ目曲ｌ 唧 Ｉ目蛐明曲眈朋腿Ⅱ朋腿朋目衄肋Ｉ明柚刚 衄 ．Ｉ．．¨ 曩 硝疆粼麟蝴勰勰礤铺罐赣器强嚣霪辞黪糍 鳃ｌｌ 挪缴黼罐箨嚣嚣舞霏蓑蘼 岛“ １Ｉ茸 ｇ 酯辩鞯群黼 端糟帮糙鳍蘸嚣鬟静罐 黜 遗‘ 船 ｈ ● ｌ ｈ ｌｌ ｌ 鞘辩蝴鼎勰＃黜＃蜥醑藕鲻鹱巍蓬霹薛醢 鞲 熊端箍藕臻馥嚣錾藜鑫嚣嚣 毽ｅＩ－ 矗·＾．州 ‘－· ● ｌ＿ ６麟丽 § 《 《 黼 瓣 黼麟涩 赣黎霆蘸露醛辩 鼬黼 ●●ｌｌＮＩｔｏｏｔ ｐ箱＾’·州… Ｏ目 匿 ｉ（·时序仿真结果（截 匿 ｉ） 音频模拟信号，图８是ＤＳＢ双边带调制后的包络波 ２００８（７）：５－９． 形。在声频定向装置中，该平台快速实现了数字信号 的ＤＳＢ双边带处理，将低频的模拟音频信号调制为高 频信号，送给换能器，超声波在空气中传播时自解调 出可听声信号，实现声音信号的定向传输。 【２１ ＹＡＮＧ Ｌｉｗｅｉ，ＸＵ Ｌｉｍｅｉ，ＸＵ Ｌ，ｅｔ ａ１．Ｎｏｖｅｌ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｄｉｏ ｂｅａｍ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｏｒｒｌｌ— ｇａｔｅｄ ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅｒ【Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｕ— ｄｉｏ，Ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：［ｓ．ｎ．】， ２００８（７）：４０—４４． ［３１陈敏，徐利梅，黄大贵，等．声频定向扬声器的研究进展 『Ｊ］．电声技术，２００６（１１）：１７—２２． 【４】ＰＯＭＰＥＩ Ｆ Ｊ．Ｔｈｅ ｉ１ｓｅ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｔ— ｉｎｇ ａｕｄｉｂｌｅ ｓｏｕｎｄ ｂｅａｍｓ［Ｊ］．Ａｕｄｉｏ Ｅｎｇ．Ｓｏｃ．，１９９９，４７ （９）：１１． ［５】 ＷＥＳＴＥＲＶＥＬＴ Ｐ Ｊ．Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｒｒａｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ— ｎａｌ ｏｆＡｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，１９６３，３５（４）：５３５—５３７． 【６］李学生，徐利梅，陈敏，等．基于ＡＤＳＰ—ＢＦ５３３的声频定 向算法实现［Ｊ］．微计算机信息，２００６，２２（１４）：１７６—１７８． 参考文献 ［１】 ＣＨＥＮ Ｍ，ＸＵ Ｌ，ＣＡＯ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｎ ｉｍ． ｐｒｏｖｅｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｕｄｉｏ ｄｉｒｅｃ— ［７】 陆志梁，戎宗仁．模数和数模转换器【Ｍ］．北京：电子工业 出版社，１９８８． 作者简介 ｔｉｏｎａｌ ｌｏｕｄｓｐｅａｋｅ Ｃ】／ Ｉｎｔｅｒｎａｔｊｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｕ． 熊道云，硕士，主要研究方向为模式识别与智能系统。 【责任编辑】史丽丽 【收稿日期］２ＯＬＯ—ＩＩ一２３ ｄｉｏ，Ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ｆｓ．ｎ．】， （上接第２７页） ５ 结束语 通过在ＦＰＧＡ开发板上验证，基于ＦＰＧＡ的音频 存储与播放系统，能很好地实现所设计的功能。本系 闻，胡燕祥，刁岚松，等，译．北京：电子工业出版社， ２００９． 【５］张洪涛，莫文承，李兵兵．基于ＳＰＩ协议的ＳＤ卡读写机 制与实现方法『ＪＩ．电子元器件，２００８，１０（７）：４２—４４． １６ 沈华．基于ＦＰＧＡ的Ｉ６Ｊ２Ｃ主控器的设计与实现 ．航空 计算技术，２００７，３７（６）：１０９—１ １０． 统能准确地存储音乐，由系统播放的音乐，通过试听 测试，效果很好。 参考文献 ［１］吴继华，王诚．Ａｈｅｒａ ＰＦＧＡ／ＣＰＬＤ设计（高级篇）【Ｍ１．北 作者简介 洪传荣，硕士研究生，主要研究方向为集成电路系统设计与 京：人民邮电出版社，２０１０． ［２】朱艳菊，骆扬．基于ＳＯＰＣ的音乐播放系统［Ｊ］．电声技 术，２０１０，３４（７）：３４—３６． 实现； 唐磊，硕士研究生，主要研究方向为音频信号处理及应用； 朱广信，讲师，主要研究方向为微电子： 徐红，讲师，主要研究方向为电路与系统设计； 常丽萍，副教授，主要研究方向为通信与信号处理。 【责任编辑】史丽丽 【收稿日期】２０１０—１０—１５ ［３】刘国倔，张屺，王跃科．基于ＤＳＰ的语音录放、存储及传 输系统『Ｊ１．电声技术，２００２（１１１：２３—２６． ［４ 帕尔尼卡．Ｖｅｒ４】ｉｌｏｇ ＨＤＬ数字设计与综合【Ｍｉ．２版．夏宇 １１１妻熊童 Ｑ 生篁堑鲞篁 塑国