I2C接口音頻Codec音樂播放器

李柯南 張北南 北方工業大學

I2C接口音頻Codec音樂播放器

李柯南 張北南 北方工業大學

I2C接口音頻Codec音樂播放器的作用是使用加載SOPC的VHDL芯片作為核心實現音樂播放功能。本系統可以通過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容，最后通過TLV320AIC23的解碼來實現音樂的輸出。

音樂播放；I2C；SOPC；FPGA；Nios II

此系統為基于SOPC的VHDL音樂播放設備，通過加載音樂文件（wav格式）于線性FLASH芯片中，經過VHDL控制，通過I2C接口技術傳輸給TLV320音頻解碼芯片來實現音樂播放。具體關系圖如圖1。

圖1

VHDL部分

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

本系統的VHDL部分主要由SOPC部分構成，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

系統中使用I2C音頻傳輸協議來對TLV320音頻編解碼芯片的控制端進行控制。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備。I2C總線最主要的優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量，降低了互聯成本。I2C總線的另一個優點是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能夠進行發送和接收的設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。當然，在任何時間點上只能有一個主控。

SOPC部分

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

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++軟件開發套件，包括編輯器、項目管理器和構建工具、調試器和兼容CFI（Common Flash Interface）的Flash編程器。調試器連接多種目標系統，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試方案。支持Nios II片內設備核的強大功能。

本系統中使用Nios II IDE加載音樂文件到板上的閃存當中，并且加載音樂播放程序來對SOPC進行音樂播放控制

TLV320部分

本系統中使用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的模數轉換和數模轉換部件高度集成在芯片內部，采用了先進的過采樣技術。AIC23的外部硬件接口分為模擬口和數字口。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輸入；

圖4

串行控制總線采用I2C協議，而串行音頻數據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，以實現高靈活性的時鐘生成，并支持各種可用MCLK的所有標準音頻速率，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系統時鐘。

TLV320DAC32芯片的設計部分：系統時鐘使用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芯片上來實現音樂文件的播放。

程序中對音頻文件大小進行了限制，總共為416275*4bit。可以根據實際音樂的長度大小進行變換。

PCB制版

左側為VHDL芯片的核心板，右側為TLV320DAC32的相關電路部分。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.054