基于FPGA的語音錄制與回放系統(tǒng)

0 引言
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)集成向高速、高集成度、低功耗發(fā)展已經(jīng)成為必然，同時(shí)SoPC技術(shù)也應(yīng)用而生。SoPC將軟硬件集成于單個(gè)可編程邏輯器件平臺，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡潔靈活。SoPC綜合了SoC，PLD和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，集成了硬核和軟核CPU、OSP、存儲(chǔ)器、外圍I／O及可編程邏輯，用戶可以利用SoPC平臺自行設(shè)計(jì)高速、高性能的CPU和DSP處理器，使得電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)嶄新的模式。
該設(shè)計(jì)運(yùn)用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)字化語音錄制與回放。其中，介紹了在FPGA上構(gòu)建WM8731的I2C總線，以及數(shù)字化語音在SRAM中的存儲(chǔ)，并利用Matlab 7．0．4軟件對所采集的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。SoPC是現(xiàn)在電子技術(shù)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的匯聚點(diǎn)和發(fā)展方向。充分體現(xiàn)了其高性能、設(shè)計(jì)靈活和易用等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體方案
系統(tǒng)以Altera公司的FPGA芯片(CycloneⅡ系列)EP2C35F672C6NK為平臺，結(jié)合音頻編／解碼芯片WM8731實(shí)現(xiàn)語音錄制與回放。該FPGA芯片具有豐富的片內(nèi)資源，大量的邏輯宏單元和多個(gè)硬件乘法器，大量的自定義I／O接口，此外還有4個(gè)鎖相環(huán)，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘。設(shè)計(jì)中充分利用了FPGA的高速并行和Avalon總線自定義硬件外設(shè)的優(yōu)勢，從而構(gòu)建了一個(gè)高集成度、高性能的系統(tǒng)。
語音通過話筒輸入，由音頻編／解碼芯片WM8731以8 kHz的A／D采樣率轉(zhuǎn)換成16位PCM碼緩存。此外，為確保采集的語音數(shù)據(jù)不丟失，先將語音存儲(chǔ)在SRAM中，再作后續(xù)處理。整體系統(tǒng)框架圖1所示。

1．1 芯片工作原理
音頻編／解碼芯片WM8731上電后必須將工作模式設(shè)置在系統(tǒng)要求的狀態(tài)下，因此上電后需要用VERILOG HDL編寫程序模塊對芯片的工作模式進(jìn)行設(shè)置。該語音編／解碼芯片有多種工作模式，A／D變換后，語音的采樣頻率與采樣位寬都需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，合理配置。語音芯片的配置時(shí)序?yàn)镮2C模式，芯片接口為主模式，即由WM8731提供位時(shí)鐘，A／D轉(zhuǎn)換和D／A轉(zhuǎn)換的左、右聲道控制相位時(shí)鐘，以及轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)PCM碼輸送給FPGA處理器。以下為芯片配置字列表，WM8731內(nèi)部控制字寄存器有16個(gè)，在芯片初始化時(shí)，在制作ROM表格中完成。相應(yīng)的程序設(shè)置如下：

1. 2 配置單元模塊
配置單元模塊綜合頂層圖如圖2所示。從程序編譯分析報(bào)告(見圖3)可以得出，該單元模塊消耗了101個(gè)邏輯單元，它作為語音采集模塊的一個(gè)子模塊。在配置電路中，模塊CLOCK_50將輸入的50 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘分頻為1 MHz，作為I2C總線模塊的工作時(shí)鐘，CLOCK_50模塊中寫出的上面程序代碼是一個(gè)表格，存儲(chǔ)了配置的控制字。I2C總線模塊的I2C_SDAT和I2C_SCLK是數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，DE2板固定分配了專門的I2C數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線的引腳線。