【導讀】隨著數字通信技術的發展，由于FPGA的靈活性與其較短的開發周期，在接口電路設計中的應用已經越來越廣泛。本文提出一種使用FPGA實現PIC—I2S 的接口轉換電路，不僅可以避免使用協議轉換芯片，節省電路板上的空間，而且還大幅加強了系統的靈活性，方便維護升級。
I2S總線是一種用于音頻設備間傳輸數據的串行總線標準，該總線采用獨立的時鐘線與數據線，避免了時差誘發的失真。隨著多媒體的廣泛應用，該總線已被應用于越來越多的數字系統中。
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132 Mbit/s，可支持多組外設，已經被各類主流處理器做為總線標注，是目前應用最廣泛的外圍總線。如今大部分處理器并沒有集成I2S接口，但在嵌入式系統中CPU經常使用PCI總線與外圍設備進行交互，故需設計一種PCI—I2S接口轉換電路，從而實現CPU與外圍音頻設備進行通信。目前實現此種接口轉換電路主要通過PCI接口芯片與音頻接口芯片等專用集成電路芯片在板級電路進行組合從而實現基于PCI的音頻播放設備。此種電路雖然成熟可靠，但電路設計復雜、靈活性小而且需要占用大量的電路板空間。
1 系統的硬件設計
音頻播放系統主要由立體聲音頻編解碼器TLN320AIC23B，FPGA器件XC6SLX75以及處理器PowerPC8270組成。系統框圖如圖1所示，CPU將原始音頻數據通過PCI總線傳至FPGA后以每組數據16 bit的格式串行傳輸至音頻芯片TLV320AIC23B，并由音頻芯片將數字量轉換為模擬音頻信號輸出。FPGA實現PCI接口功能和對音頻編解碼芯片的配置與數據傳輸功能，其內部主要由PCI協議接口，I2S協議接口，I2S配置寄存器，I2C協議接口以及FIFO存儲器等組成。
TLV320AIC23B在系統中實現數字音頻信息到音頻模擬量的轉換，在系統上電工作時，首先需要通過I2C接口配置它的多個控制寄存器，此后芯片將根據位傳輸時鐘(Bclk)與左右聲道控制時鐘(LRCIN)，按控制寄存器中配置的方式采集由FPGA發送來的音頻數據。接收到的數據將傳至芯片內部進行數模轉換、濾波等處理。
FPGA根據I2S協議規范與芯片要求，由主時鐘(MCLK)分頻產生位傳輸時鐘(Bclk)與左右聲道控制時鐘(LRCIN)，與音頻數據同步發送至 TLV320AIC23B。其中左右聲道控制時鐘(LRCIN)應與音頻數據的原始采樣級別頻率相同，根據I2S的協議規范及芯片資料，其位傳輸時鐘 (Bclk)與芯片的主時鐘(MCLK)如下:
BCLK=Sampling Size×Sampling Rate (1)
MCLK=Sampling Size×Sampling Rate×384 (2)
式中，Sampling Rate為原始采樣級別頻率;SamplingSize為采樣大小。
系統中，TLV320AIC23B芯片采用左對齊的接口模式，其時序如圖2所示，其中LRCIN為高電平時音頻的左聲道選通，為低時音頻的右聲道選通。在 LRCIN的一個周期內，左右聲道上傳輸同一組數據。由于PCI總線的傳輸速度遠高于I2S總線的傳輸速度，為不使CPU過高頻率的響應中斷，所以在 FPGA中生成一個FIFO，可使得PCI總線可以連續傳入大量數據。此外，由于不同的音頻文件有著不同的采樣級別頻率，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PCI總線設置此寄存器以調用FPGA中不同的數字時鐘管理(DCM)，從而為 TLV320AIC23B芯片提供不同的時鐘。
2 PCI接口設計
PCI協議比較復雜，它不僅有嚴格的同步時序要求，而且需要許多的配置寄存器，因此實現電路也比較復雜。通常情況下，在FPGA中實現PCI接口通常有3 種方式：(1)用FPGA自行設計PCI接口，該方法可根據需要有選擇地實現PCI接口功能，更貼近系統需要，而且可以降低系統成本，但需要開發者對 PCI協議有著深刻的了解，且在外部環境惡劣時，不容易滿足系統的穩定性要求，開發難度較大。(2)利用PCI硬核來對系統進行開發，PCI硬核即是嵌入在FPCA內部的固化電路，類似于專用的PCI接口芯片，設計者只需完成信號鏈接與驗證即可，但此方法中，PCI硬核已經固化在FPGA中，影響了系統的靈活性。(3)利用PCI軟核進行開發，PCI軟核可以根據用戶自身的需要進行配置，更為靈活，貼近用戶系統，且其已經過設計廠商的驗證，可靠性高。本文采用Mentor公司提供的開源軟核MPCI32用于FPGA上PCI接口的開發。
Mentor公司的PCI核完全符合PCI2.2的標準，支持33/66 MHz、32位數據的傳輸，PCI核的結構如圖3所示，該PCI核的功能是將入口測復雜的PCI接口信號轉為出口側較為操作的用戶信號。PCI核內用戶側設置有主控制接口和從控制接口以及配置寄存器等模塊，其中從控制接口分為寄存器接口與FIFO接口。因為本文中僅使用了從控制接口，所以圖中僅對從控制接口的信號展示。可以看出，IP核左側的信號為PCI的標準信號，在使用時與前端PCI總線連接，右側信號為本地數據信號，可以看出IP核將PCI上原本復用的地址線與數據線處理后分別接出為32位的地址線與32位數據線，并且原本總線上雙向的數據線被區分為單向讀信號線與寫信號線。此外還有后端邏輯對寄存器的讀寫地址信號線與PCI訪問邏輯的讀寫地址信號線，后端對寄存器使用時的請求信號線，寄存器被占用的標志信號線等。配置寄存器包含所有PCI配置空間的信息，其中包括表明設備信息的Device ID與Ven dor ID寄存器，以及命令寄存器，Base Address Register等主設備初始化時需要訪問的信息，這些信息在PCI核生成時已經被設定，無需改動。
在設計PCI接口時，用戶通過發起寄存器讀寫請求tarO_req，去訪問后端寄存器，從寄存器交換數據，在CPU檢測到都算邏輯未使用寄存器時，可發起占用請求并占用寄存器(tarO_gnt被置位)，此時，PCI讀寫此寄存器中的數據。
3 音頻接口設計
在驅動后端的音頻芯片時首先需要通過I2C接口配置音頻芯片的控制寄存器，此后根據音頻數據不同的采樣級別頻率控制FPGA產生的時鐘，最終音頻數據從FPGA內部的FIFO中通過FPGA產生的時鐘依據I2S協議標準向音頻芯片傳輸。在FPGA中設計的音頻接口包括I2C時序協議接口模塊，I2S時鐘控制接口模塊和I2S時序協議接口模塊。
3.1 I2C接口模塊的設計
I2C總線是由飛利浦公司開發的串行總線，總線由兩根信號線構成，其中SCLK為時鐘信號線，SDA為雙向數據線。I2C總線上的所有設備均可做為主設備，每個設備在總線上都有唯一的地址。
立體聲音頻編解碼器TLV320AIC23B中，共有11個寄存器需要配置，所有寄存器為只寫寄存器。這些寄存器分別控制芯片輸出音頻的左右耳機音量、左右功放音量、芯片電源、采樣率等參數。在芯片的配置參數傳輸時，以I2C的數據線(SDA)在時鐘線(SCLK)為高時下降沿條件作為數據的起始位，此后每當FPGA向TLV320AIC23B傳輸8位數據時，TLV320 AIC23B在第9個時鐘時通過SDA向FPGA返回一個ACK信號。如果FPGA確認收到ACK信號則繼續傳輸下一組數據，否則將重復傳輸此組數據。實際中示波器測量的傳輸波形如圖4所示。
3.2 I2S時鐘控制接口模塊的設計
由于不同的音頻數據有著不同的采樣級別頻率，所以在傳輸不同音頻文件時，FPGA提供給TLV320AIC23B的時鐘頻率不同，為使不同采樣頻率的聲音文件都能在本系統上正常播放，故在FPGA內部使用其DCM由主時鐘12.288 MHz生成16 kHz和32 kHz兩種采樣時鐘頻率，接入緩沖器BUFGMUX中，并且通過在PCI的配置空間中開辟一個寄存器，寄存器的值接至BUFGMUX的選擇端，這樣通過配置PCI總線配置此寄存器即可根據播放音頻的情況選擇時鐘頻率。
3.3 I2S時序協議接口模塊的設計
I2S時序接口模塊的主時鐘由FPGA內部提供，模塊內通過對主時鐘進行分頻產生BCLK與LRCin，模塊在每個LRCin的上升沿由緩存FIFO中讀取一個16 bit的數據放入臨時寄存器，此后在BCLK的每個上升沿依次由高至低讀取寄存器中的每一位并賦值給數據線SDIN，并且在LRCIN的下降延時重復傳輸此數據，從而完成音頻數據的I2S協議傳輸。
4 系統測試及結果
通過在上位機中向CPU內部Flash燒錄一段音頻數據，此后通過訪問FPGA的配置寄存器將此段數據傳入至FPGA內64 kB的FIFO中，后端音頻模塊檢測到FIFO非空即開始工作。首選通過邏輯仿真軟件對系統進行仿真，結果如圖5所示，信號線SDIN、 LRclk，BCLK輸出結果符合I2S協議規范中左對齊模式。此后可以在音頻芯片模擬輸出端接入耳機或功放等音頻播放設備，用示波器測量其模擬輸出。結果證明此系統工作正常，可以按照要求播放16 kbit/s與32kbit/s WAV音頻文件。通過示波器測量的模擬輸出如圖6所示，可以看出明顯的包絡信號。通過以上結論可以看出，系統可以充分利用FPGA 片內資源，從而減少對板內面積占用并減低系統功耗，也易于移植入同類的嵌入式系統中。
在本文的基礎上，可以進一步發揮FPGA的靈活性，比如在開發FPGA上支持PCI從設備DMA模式，以進一步加強PCI總線的讀寫效率、I2S總線的右對齊和DSP模式等，并且可以開發語音芯片上的語音采集功能，使系統實現語音采集、轉換、傳輸等功能。
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