I2C接口音频Codec音乐播放器

李柯南 张北南 北方工业大学

I2C接口音频Codec音乐播放器

李柯南 张北南 北方工业大学

I2C接口音频Codec音乐播放器的作用是使用加载SOPC的VHDL芯片作为核心实现音乐播放功能。本系统可以通过Nios II加载音乐文件和播放程序来自由的控制播放的长度和播放内容，最后通过TLV320AIC23的解码来实现音乐的输出。

音乐播放；I2C；SOPC；FPGA；Nios II

此系统为基于SOPC的VHDL音乐播放设备，通过加载音乐文件（wav格式）于线性FLASH芯片中，经过VHDL控制，通过I2C接口技术传输给TLV320音频解码芯片来实现音乐播放。具体关系图如图1。

图1

VHDL部分

系统的核心为 Altera公司的CycloneII VHDL芯片，其为Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2v内核供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法器单元。芯片内控制单元使用VHDL语言编写。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），即涉及实体的内部功能和算法完成部分。

本系统的VHDL部分主要由SOPC部分构成，其他还包括I2C编码部分，分频器部分等。

I2C编码部分：（图2）

图2

系统中使用I2C音频传输协议来对TLV320音频编解码芯片的控制端进行控制。I2C即Inter－Integrated Circuit总线是一种两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)， 其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

SOPC部分

本系统中使用SOPC（System-ona-Programmable-Chip），即可编程片上系统。SOPC它是用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上,来用于嵌入式系统的研究和电子信息处理。SOPC是一种特殊的嵌入式系统,它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能，但它不是简单的SOC,它也是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。

此SOPC为泛用型版本，其中包括CPU部分、Jtag接口部分、SDram部分、Timer部分、Bus部分、Flash部分、键盘响应部分、单通道音频输出部分、RS232接口部分、I2C编码解码部分、Lcd显示部分等。（图3）

图3

Nios II部分

本系统的程序和加载部分使用Altera公司的Nios II IDE。Nios II IDE提供了完整的C/C++软件开发套件，包括编辑器、项目管理器和构建工具、调试器和兼容CFI（Common Flash Interface）的Flash编程器。调试器连接多种目标系统，包括FPGA硬件（通过JTAG电缆）、Nios II指令集仿真器和ModelSim-Altera软件，因而能够提供最灵活的调试方案。支持Nios II片内设备核的强大功能。

本系统中使用Nios II IDE加载音乐文件到板上的闪存当中，并且加载音乐播放程序来对SOPC进行音乐播放控制

TLV320部分

本系统中使用TLV320AIC23作为解码芯片。TLV320 AIC23是TI公司的一款高性能立体声音频A／D，D／A放大电路。AIC23的模数转换和数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的过采样技术。AIC23的外部硬件接口分为模拟口和数字口。模拟口是用来输入输出音频信号的，支持线路输入和麦克风输入；

图4

串行控制总线采用I2C协议，而串行音频数据总线在多种模式下为可编程，其中包括I2S、左/右对齐、DSP或TDM模式。该器件还提供高度可编程的PLL，以实现高灵活性的时钟生成，并支持各种可用MCLK的所有标准音频速率，频率范围为512kHz至50MHz，其中要特别注意的是最常见的12MHz、13MHz、16MHz、19.2MHz与19.68MHz系统时钟。

TLV320DAC32芯片的设计部分：系统时钟使用12M的晶振，功放输出口接入由LM386组成的放大电路后接扬声器，耳机输出口接到3.5MM耳机接口。

线性FLASH部分

音乐文件（wav格式）通过Nios II IDE加载到板上的线性FLASH上，然后通过Nios II IDE加载C++程序与SOPC即VHDL芯片上来实现音乐文件的播放。

程序中对音频文件大小进行了限制，总共为416275*4bit。可以根据实际音乐的长度大小进行变换。

PCB制版

左侧为VHDL芯片的核心板，右侧为TLV320DAC32的相关电路部分。

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.054