基于SoPC的具備網絡點播功能的音頻系統設計

吳鵬飛，郭寶增

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定071002)

傳統的音頻設備主要是基于單片機實現的音頻編碼和解碼，由于單片機資源限制，且資源定制的靈活性較差，對設備的升級和功能擴展造成了一定困難。隨著互聯網技術的快速發展，網絡化已經成為音頻設備重要功能之一，網絡點播功能的實現不但可以提高系統的實時性和便捷性，同時對于增強系統的競爭力也大有益處。

本文基于SoPC平臺，開發了具有網絡點播功能的音頻系統，介紹了開發的主要流程和其中的關鍵技術，對嵌入式網絡設備的開發具有一定的幫助作用。

1 基于SoPC平臺的開發流程

隨著SoPC技術日趨成熟，SoPC應用領域越來越廣。相比之下，基于SoPC平臺的Nios II-μClinux開發具有更加明顯的優勢。Nios II軟核處理器是Altera公司推出的一款模塊化、硬件可編程的嵌入式處理器，具有非常強大的硬件定制功能，通過定制Altera和第三方公司的IP核以及系統所需其他外設，可以迅速構建出系統所需的硬件平臺，這樣的硬件平臺能夠獲得完全符合系統需求的硬件資源，同時對于降低系統的開發周期也是十分有利的[1]。加之μClinux系統的移植，使得整個系統的性能更加優越，μClinux是一種非常優秀的嵌入式操作系統，雖然體積小，卻繼承了Linux操作系統穩定、可移植性強、網絡功能強大等諸多優點，此外μClinux還擁有豐富的硬件驅動資源，通過對驅動程序的修改和移植，使得頂層應用的開發變得更為輕松[2]。

開發基于SoPC的Nios II-μClinux的嵌入式系統，需要使用Altera的SoPC開發工具SoPC Builder和Quartus II兩款軟件，它們分別完成系統定制工作和硬件電路的構建。系統的軟件設計則需要借助運行Linux操作系統的計算機，完成交叉編譯以生成μClinux系統和頂層應用程序，然后移植到開發板上。開發板將作為系統定制、硬件設計和軟件設計的檢驗平臺，從而指導系統定制、硬件和軟件設計的修改和完善[3]。其開發流程可以分為4個階段：系統定制、硬件設計、軟件設計、系統綜合，其具體開發流程如圖1所示。

系統定制和軟件設計階段相對復雜，包含了本設計的核心思想以及相關問題的解決方案，下文對此給予重點介紹。

2 系統定制

該階段的主要任務是定制硬件系統，本設計選取友晶公司（Terasic）推出的一款嵌入式開發平臺(DE2-70)，通過調用相應IP核迅速構建出符合系統需求的硬件平臺，如圖2所示。

圖1 系統開發流程圖

圖2 系統硬件結構圖

其中Audio模塊采用友晶公司的配套IP核。該IP核提供了Verilog HDL的硬件描述和相應的HAL驅動程序，實現了Codec時鐘匹配、FIFO、時序控制以及數據傳輸控制。由于采用硬件描述語言實現，該IP具有很強的靈活性和高效性。

DM9000A是一款高速以太網接口芯片，集成了10/100 M自適應收發器，通過調用DM9000A的IP核，使其掛載到Avalon總線上，該模塊是實現網絡點播功能的核心硬件資源。

本地音頻的播放是以SD卡、U盤等移動存儲介質作為音頻文件的載體，SD Card socket有兩種工作模式：SD模式和SPI模式。本設計采用SPI模式，該模式下通過四線方式就可以完成所有的數據交換，大大簡化了硬件電路設計，USB形式的其他移動存儲介質調用了ISP13632的IP核，將音頻文件拷貝到移動存儲介質，掛載到μClinux嵌入式系統，就能完成本地音頻文件的讀取與解碼。

3 硬件設計

該階段主要任務是完成硬件設計工作，其中頂層文件的編寫采用Verilog HDL代碼形式，借鑒DE2-70官方的DE2_70_TOP.v文件來編寫本設計的Verilog頂層文件，其中SD卡對應代碼必須確保準確，否則可能導致SD卡的永久性毀壞，正確的Verilog代碼如下：

而后進行引腳分配與時序分析，進而編譯生成硬件。這一階段關鍵工作是對時序分析和編譯過程中的錯誤進行準確的分析判斷，以便在SoPC Builder中調整已定制系統，確保生成的硬件符合設計要求。

4 軟件設計

該階段的工作量相對較大，是本設計最為重要的環節。

4.1 建立交叉編譯環境

(1)通過虛擬機安裝Ubuntu10.10(可以選擇其他Linux系統)。

(2)從Altera官方 FTP上下載 μClinux開發包和交叉編譯器，解壓到指定文件夾。

(3)修改Linux系統環境變量，實現 Nios II交叉編譯環境的支持。

4.2 μClinux 移 植

在Linux環境下針對SoPC Builder生成的ptf文件對μClinux進行配置，這樣做的目的是保證 μClinux編譯的結果能夠成功運行到DE2-70開發板上。通過make emenuconfig命令對內核進行必要的配置，編譯生成zImage鏡像文件，編譯過程中將隨之生成一個名為nios2.h的文件，該文件描述的內容與系統定制階段SoPC Builde中的硬件描述完全一致，同時驗證了ptf文件對μClinux的配置已經成功，將硬件sof文件和鏡像zImage文件下載到開發板，檢驗μClinux能否成功移植。圖3為成功移植后，調試終端顯示的結果。

圖3 μClinux移植成功效果圖

4.3 驅動程序移植

通過make menuconfig命令進行內核配置，將網卡(DM9000A)、SD 卡(SPI 模 式)、USB(ISP1362)的 驅 動 程 序 編譯進內核，選擇支持的文件系統(本設計使用DOS FAT文件系統)，其中網卡驅動(dm9000.c)要進行必要的修改，否則無法獲取MAC地址，在dm9000_probe函數中添加兩處語句：

（1）在函數體的開頭添加：static char net_mac_addr[]=

{0x00,0xe0,0x3d,0xf4,0xdd,0xf7};//MAC地址設置

（2）添加：for(i=0;i＜6;i++)

4.4 應用程序移植

為了使系統能夠播放本地和網絡音頻文件，選用mpg123播放器進行移植。mpg123是一個快速的MPEG播放器和解碼器，支持 MPEG 1.0/2.0/2.5 layers 1，2 and 3，具有高質量和低CPU占用率的優點，更為關鍵的是可以輕松地移植到μClinux平臺[4]。為了使mpg123在開發板上正常工作，需要修改dummy.c文件以便將數據寫入AUDIO模塊：

4.5 編譯、連接、調試

該過程將對定制的 μClinux進行編譯、連接、調試，對出現的錯誤進行逐一分析、排查、糾正，最終生成zImage鏡像文件。

5 系統綜合

建立Shoutcast server服務，經路由器使得開發板與計算機工作在同一局域網內，將系統的sof文件和zImage文件下載到開發板，運行Nios II-terminal調試終端，執行mpg123-@http://192.168.1.1:8000命令，通過耳機就可以聽到網絡服務器上的音頻文件，本地播放需將移動存儲介質通過mnt命令掛載到系統上，進入所在文件夾，直接執行mpg123*.mp3就能夠欣賞到本地的音頻文件。

本設計基于SoPC平臺，綜合了Nios II軟核處理器和μClinux嵌入式操作系統的優勢，實現的系統具有本地音頻播放和網絡音頻點播功能。該設計具有開發周期短，硬件設計可升級，軟件系統可維護，網絡功能強大等諸多優點，對于設備的系統化、網絡化具有一定的幫助。

[1]潘松，黃繼業，曾毓，等.SoPC技術實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]周立功.SoPC嵌入式系統基礎教程[M].北京：航空航天大學出版社，2006.

[3]馮新宇，蔣洪波，祁紅巖.基于NiosⅡ的音頻播放器設計與驅動開發[J].現代電子技術，2010(4)：97-101.

[4]Lu Zongqing，Zhang Xiong，Sun Chuiliang.An embedded system with μClinux based on FPGA[C].Nanjing：2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application，2008.