基于DE2开发板NIOSII处理器使用PWM波播放音乐的数码音乐相册.doc

:软件简介: 这个实验可以充分学习FPGA 以及SOPC的利用，做成一个具有很复杂程度的作品。学习到很多平时不能接触的知识。 这个实验要用到的硬件有： SD卡一张 DE2开发板 320*240的TFT液晶：SSD1289 一个无源喇叭 本实验难度比较大，主要涉及了很多知识!而且都不是平时我们接触过的知识。 本实验主要包含了几个大的部分： 1. 音乐的播放驱动 2. SSD1289 TFT液晶驱动 3. SD卡读取驱动 4. FAT32文件系统的初步认识，实现根目录下的读取 5. 整个FPGA里面NIOS模块和外部模块的链接. 6. WAV文件的制作，以及处理成不同采样率，不同位数的音频数据 7. BMP图片的制作，以及在不同处理器架构下的处理，在SD卡存储方式和取模出来的数据的不同 现在分别介绍不同模块的实现问题： 一 首先最开始要实现的是音频数据的播放 音频具有很多编码，WAV,MP3等等，本实验有两个方法 现音频的播放：基于WM8731音频芯片的播放，以及直接用FPGA写出PWM控制器来播放。 首先介绍的是音频知识 我们平时接触到的最多的音频既是MP3音频，它是一种高度压缩的音频数据，因此播放它需要一块专门的集成高速DSP处理器音频芯片解码。比如VS1003B芯片，是最常用的音频编解码芯片，由于价格昂贵，所以我没有使用这种芯片，转而使用WAV文件来播放。WAV是一种原始的音频数据文件，相当于电压值的AD数据。 转换WAV文件又要使用到音频编译的专门软件 COOLEDIT软件 这款软件能实现音频文件的各种转换，可以转换成WAV 各种采样率。 现在介绍的是WM831音频芯片的使用以及播放： WM8731是一款具有高音频带宽的芯片，可以播放速率从8KHZ到96KHZ的WAV文件，由于它内部没有集成高速DSP解码处理器核，所以只能播放的是WAV文件。WM8731是一款高速的AD转换器。支持16位音频到32位音频的播放，它的配置采用的是I2C配置方式。在我这个项目中我实现的配置是，从模式16位宽。32KHZ采样率。这里不得不说道的是WAV文件16位数据和8位数据有很大区别。16位文件包含了正负音频电压值，而8位音频数据只有正电压。在最开始一直没理解到，所以犯了很多错误。 WM8731也是一款比较难操作的音频芯片，在具体实现的时候我用了两个高速缓存来实现数据的传送，数据是由NIOS在SD卡中以FAT32格式化下，以根目录的存取方式取出来缓冲，在传送，以WM8731转换完一个音频数据时产生的高电平来实现外部中断送值。具体操作这里就不做详细介绍了。 第二种方法，就是直接用VERLIOG代码生成一个PWM控制器，从NIOS中接收数据来实现PWM播放音乐.这种方法比较新颖。 由于，耳机，以及无源喇叭是惯性器件，PWM波作用在其上就等同相等的电压值作用在上面，从而实现类似AD的播放。这种用VERLIOG写出的PWM播放机的缺点就是在FPGA的管脚上不能出现负电压，所以只能播放的是8位数据的音频电压值。，我的PWM播放思想是，严格按照采样率来送电压值，送值时间由NIOS内部定时器来实现。PWM控制模块只负责把数据转换成PWM波就可以了。 这也是一个比较难理解的过程，需要细细揣摩！ 第三种方法，直接使用DA芯片转换出电压值，从而播放出音乐。最开始我选择了DAC0832电流型DA芯片来播放音乐，结果失败了，后来仔细研究才知道，原来DAC0832类型很多，增强，快速，普通等等。我使用的是普通的0832芯片，电压转换时间是150多US，联最基本的8KHZ的采样率音频速度都不能达到，所以这个方案不能实施。但是可以换增强型快速的DAC0832芯片来做，转换时间快到只需要10多US就可以转换完。（这个理论上能成功，但是我没有芯片所以没实施。）DAC0832最大的缺点是电流型，所以还要通过运放转换成电压。最好的方法是选用TLC5615电压型DA芯片，转换速度也快，SPI接口很好操作。 二 SD卡的驱动 DE2上有SD卡接口，由于NIOS不带硬件驱动SD卡，所以 选取的是IO口模拟SPI来对SD卡操作。NIOS组件里面也带有硬件SPI发送器，由于现在这个IP技术不成熟，一次只能传送8位的数据，因此，不满足SD卡SPI驱动要求，所以我选用的是IO口模拟SPI操作SD卡，在模拟的时候，我用程序写的是高速的模拟SPI，不用循环，比一般采用循环模拟SPI快了一倍，因此为我后面大量BMP图片数据，以及WAV音频数据读取提供了有利的基础。 SD卡的驱动也很复杂，要严格按照SD卡的时序来给它送值，而且还有很多补偿时钟这些，但是必须把SD卡底层操作函数百分百写对，才能在后续的FAT32文件系统下的读取提供有利的支持。 三 FAT32文件系统的认识 FAT32文件系统时现在主流电脑里面使用的最多的文件系统， 我的BMP图片，WAV音频数据都是在电脑上以FAT32文件系统架构下拷贝进去的，因此，这个实验必须了解文件系统。 FAT32文件系统主要由三个大区组成：MBR区（很多SD卡没有MBR区，只要0扇区第一个字节不是EB打头就不存在MBR区）。 第二个区是BPB区。内部包含了整个FAT32文件系统的信息，包括了数据区的开始区域，以及FAT表的扇区。 第三个区域就是数据区，内部包含了各个文件的真实数据。 数据的链表在FAT表里面。 由于实现FAT32文件系统非常之复杂，因此，我实现的FAT32文件系统只能简单的读取根目录下的文件信息，所以，BMP图片以及WAV音频只能存在根目录下，不能建文件夹！ 五，TFT液晶的认识 TFT液晶是一种很常用的廉价的液晶，TFT液晶分为高，中，低很多档次。我使用的TFT液晶是一款支持6万色的的液晶模块。 3.2寸320*240 的SSD1289，最开始使用的是ILI9230（2.8寸TFT液晶）。 TFT液晶和传统的点阵型12864，1602等有很大的不同。操作方式也很不同。SSD1289其实是液晶的驱动芯片。只需找到SSD1289的芯片手册，即可实现液晶驱动（难度其实非常大，SSD1289主控芯片内部有256个寄存器，其中常用需要初始化配置的寄存器多大40多个）。由于以前有过写TFT液晶的经验，所以操作起来还是比较快。只要严格的按照控制芯片的手册时序来写驱动，操作起来也不是非常困难。 SSD1289支持的是RGB色的565色的BMP图片。因此，需要在电脑上转换出BMP图片。由于BMP图片一张16色240*320的图片都多达150K，相册图片又很大，所以不可能在NIOS内部用数组形式存放。必须在SD卡中存放。因此，我们又必须认识BMP图片在SD卡中的存储格式。 SSD1289TFT液晶上显示汉字时候要使用到专用LCD取模软件，取出相应的字模到LCD上显示，因为液晶相册要使用到很多文字提示信息，所以要用液晶显示汉字。 六 BMP图片的制作 BMP图片是一种高真彩色的位图，没有经过压缩的处理，因此数据量还是比较大。数据位宽代表的是色彩色RGB的数据位，RGB数据位越宽，则色彩越逼真。从1位到32位各不相同。32位是最高色彩的真彩色，含有8位的透明色。24位的RGB色。 在这里不得不说我在制作过程中遇到的困难。16位色位图的565模式和555模式，BMP图片在SD卡中储存是以555模式储存。而且是以一张图片的左下角开始扫描储存，这是SD卡储存方式，而我们取模出来的数据时565数据，而且是从左上角开始储存，最开始我是以取模方式做的图片显示，所以直接移植到SD卡方式显示会出现很大的问题，最后我才发现了上述问题。 七制作适合TFT液晶使用的BMP图片 制作BMP图片会使用到I mage2LCD软件，美图秀秀软件，以及GIF动画分离软件。 首先，美图秀秀软件用来裁剪你选中的图片到你所需要的尺寸。因为一般电脑上的图片远远大于240*320的大小。 做成了240*320的图片后，还有一个很重要的问题要考虑，那就是图片的位数，电脑上的图片都是24位真彩色的图片，所以，如果要使用软件解码也能实现，但是24位数据量太大，所以采用了IMAGE软件来转换成16色的BMP图片然后存储到SD卡里面。 GIF动画分离软件 是一款专门用于分离动画，以及AVI视频的软件，可以把这些视频信息分离成一帧一帧的图片，然后再按照上面的步凑做出BMP图片，放到SD卡里面高速读取显示只要满足播放时间间隔就可以做出动画。这个是一个附加功能！非常好玩！ 八，整个系统的构建。 首先在FPGA里面新建出符合本实验要求的工程，在SOPC内部添加出各种接口以及IO口。然后，格式化FAT32文件系统，接下来开始读取SD卡内部的WAV以及BMP信息，我测算过由于我的读取速度在8MS就能读取完一个扇区的数据量，因此边读边播放显示时间要求比较严，因此我采用的是先把WAV文件全部读取出来存放好，DE2上板载SDRAM达到8M FLASH达到4M因此能容纳8首左右的8KHZ采样率8位的音频。而BMP图片采取边读SD卡边播放的方式，从而实现了整个音乐相册的实验！ :相关软件: Altera DE2-70开发板的(音频、鼠标、SD卡、VGA等实验)DE2中文用户手册(方便查找各引脚所对的编码)DE2板上先存入SD卡实现的MP3播放器功能DE2控制LCD显示(VHDL编写对LCD的控制)在全国电子设计大赛上的基于DE2的实际工程members from key minority outreach, promote a comprehensive strictly administering the party into the branches, put it into every party member, give full play to each party organization fight fortress function, each the exemplary vanguard role of party members. Is to promote the inner-party education extend from the concentrated education to regular education, in the regular education efforts, real party ideology in the all party members and the partys construction through system. Is to boost the spirit of all party members, education guide all members of the party in their respective work positions, responsible and dependable officer, make contributions. Therefore, we must from the height of political and global, fully aware of two learning the importance of education, put two education as a major political task and practice well. All members to active participation, really into, in learn, and do, and modified, and promoting upper and lower really Kung Fu, effective put thought and action unified to XI General Secretary of important indicates spirit up, unified to Central and provincial of decision deployment up, solid do learning education the work, effective do good accountability, caught in place, see effectiveness, condensed up officer venture, and promoted water the work of powerful power. Second, accurately grasp the two educational focus . Marxist positions, knowing that good talk show a strong belief in pursuit, history as spirit, sincere feelings for the people, pragma