基于FPGA的PCI-I2S音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCI-I2S音頻系統(tǒng)方法。通過(guò)在FPGA中將PCI軟核、FIFO以及設(shè)計(jì)的接口電路等相結(jié)合，在FPGA上實(shí)現(xiàn)了 PCI、I2C、I2S等多種總線，并且結(jié)合音頻解碼器實(shí)現(xiàn)了不同采樣頻率語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸以及播放功能。系統(tǒng)充分利用FPGA的片上資源及其可編程特性，減少了硬件電路的復(fù)雜度。

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I2S總線是一種用于音頻設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線采用獨(dú)立的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線，避免了時(shí)差誘發(fā)的失真。隨著多媒體的廣泛應(yīng)用，該總線已被應(yīng)用于越來(lái)越多的數(shù)字系統(tǒng)中。

PCI總線是一種高性能的32/64位局部總線，理論最大傳輸速率可達(dá)132 Mbit·s-1，可支持多組外設(shè)，已經(jīng)被各類(lèi)主流處理器做為總線標(biāo)注，是目前應(yīng)用最廣泛的外圍總線。如今大部分處理器并沒(méi)有集成I2S接口，但在嵌入式系統(tǒng)中CPU經(jīng)常使用PCI總線與外圍設(shè)備進(jìn)行交互，故需設(shè)計(jì)一種PCI—I2S接口轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)CPU與外圍音頻設(shè)備進(jìn)行通信。目前實(shí)現(xiàn)此種接口轉(zhuǎn)換電路主要通過(guò)PCI接口芯片與音頻接口芯片等專(zhuān)用集成電路芯片在板級(jí)電路進(jìn)行組合從而實(shí)現(xiàn)基于PCI的音頻播放設(shè)備。此種電路雖然成熟可靠，但電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性小而且需要占用大量的電路板空間。

隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，由于FPGA的靈活性與其較短的開(kāi)發(fā)周期，在接口電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。本文提出一種使用FPGA實(shí)現(xiàn)PIC—I2S 的接口轉(zhuǎn)換電路，不僅可以避免使用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，節(jié)省電路板上的空間，而且還大幅加強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，方便維護(hù)升級(jí)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

音頻播放系統(tǒng)主要由立體聲音頻編解碼器TLN320AIC23B，F(xiàn)PGA器件XC6SLX75以及處理器PowerPC8270組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，CPU將原始音頻數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線傳至FPGA后以每組數(shù)據(jù)16 bit的格式串行傳輸至音頻芯片TLV320AIC23B，并由音頻芯片將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)輸出。FPGA實(shí)現(xiàn)PCI接口功能和對(duì)音頻編解碼芯片的配置與數(shù)據(jù)傳輸功能，其內(nèi)部主要由PCI協(xié)議接口，I2S協(xié)議接口，I2S配置寄存器，I2C協(xié)議接口以及FIFO存儲(chǔ)器等組成。

TLV320AIC23B在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻信息到音頻模擬量的轉(zhuǎn)換，在系統(tǒng)上電工作時(shí)，首先需要通過(guò)I2C接口配置它的多個(gè)控制寄存器，此后芯片將根據(jù)位傳輸時(shí)鐘(Bclk)與左右聲道控制時(shí)鐘(LRCIN)，按控制寄存器中配置的方式采集由FPGA發(fā)送來(lái)的音頻數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)將傳至芯片內(nèi)部進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波等處理。

FPGA根據(jù)I2S協(xié)議規(guī)范與芯片要求，由主時(shí)鐘(MCLK)分頻產(chǎn)生位傳輸時(shí)鐘(Bclk)與左右聲道控制時(shí)鐘(LRCIN)，與音頻數(shù)據(jù)同步發(fā)送至 TLV320AIC23B。其中左右聲道控制時(shí)鐘(LRCIN)應(yīng)與音頻數(shù)據(jù)的原始采樣級(jí)別頻率相同，根據(jù)I。S的協(xié)議規(guī)范及芯片資料，其位傳輸時(shí)鐘 (Bclk)與芯片的主時(shí)鐘(MCLK)如下:
BCLK=Sampling Size×Sampling Rate (1)
MCLK=Sampling Size×Sampling Rate×384 (2)
式中，Sampling Rate為原始采樣級(jí)別頻率;SamplingSize為采樣大小。

系統(tǒng)中，TLV320AIC23B芯片采用左對(duì)齊的接口模式，其時(shí)序如圖2所示，其中LRCIN為高電平時(shí)音頻的左聲道選通，為低時(shí)音頻的右聲道選通。在 LRCIN的一個(gè)周期內(nèi)，左右聲道上傳輸同一組數(shù)據(jù)。由于PCI總線的傳輸速度遠(yuǎn)高于I2S總線的傳輸速度，為不使CPU過(guò)高頻率的響應(yīng)中斷，所以在 FPGA中生成一個(gè)FIFO，可使得PCI總線可以連續(xù)傳入大量數(shù)據(jù)。此外，由于不同的音頻文件有著不同的采樣級(jí)別頻率，而通常音頻文件的采樣頻率為16 kHz或32 kHz，故在FPGA中生成I2S_config寄存器，可以通過(guò)PCI總線設(shè)置此寄存器以調(diào)用FPGA中不同的數(shù)字時(shí)鐘管理(DCM)，從而為 TLV320AIC23B芯片提供不同的時(shí)鐘。

2 PCI接口設(shè)計(jì)

PCI協(xié)議比較復(fù)雜，它不僅有嚴(yán)格的同步時(shí)序要求，而且需要許多的配置寄存器，因此實(shí)現(xiàn)電路也比較復(fù)雜。通常情況下，在FPGA中實(shí)現(xiàn)PCI接口通常有3 種方式：(1)用FPGA自行設(shè)計(jì)PCI接口，該方法可根據(jù)需要有選擇地實(shí)現(xiàn)PCI接口功能，更貼近系統(tǒng)需要，而且可以降低系統(tǒng)成本，但需要開(kāi)發(fā)者對(duì) PCI協(xié)議有著深刻的了解，且在外部環(huán)境惡劣時(shí)，不容易滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，開(kāi)發(fā)難度較大。(2)利用PCI硬核來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，PCI硬核即是嵌入在FPCA內(nèi)部的固化電路，類(lèi)似于專(zhuān)用的PCI接口芯片，設(shè)計(jì)者只需完成信號(hào)鏈接與驗(yàn)證即可，但此方法中，PCI硬核已經(jīng)固化在FPGA中，影響了系統(tǒng)的靈活性。(3)利用PCI軟核進(jìn)行開(kāi)發(fā)，PCI軟核可以根據(jù)用戶(hù)自身的需要進(jìn)行配置，更為靈活，貼近用戶(hù)系統(tǒng)，且其已經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)廠商的驗(yàn)證，可靠性高。本文采用Mentor公司提供的開(kāi)源軟核MPCI32用于FPGA上PCI接口的開(kāi)發(fā)。