使用FPGA播放音频文件

OpenFPGA 2024-01-17 1028

OpenFPGA

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描述

音频

让我们看一下I2S规范，并尝试用FPGA播放音频文件。

开篇第一步

Inter-IC Sound Interface（简称I2S）是由飞利浦公司开发，用于通过不同IC之间的串行接口（例如从处理器到DAC）传输数字音频数据。该接口使用以下信号进行数据传输：

SCK （串行时钟）——用于数据传输的时钟。

SD （串行数据）- 每个数据字的各个位通过该线传输。

WS （字选择）- 定义传输数据字的长度。它用于标记右或左音频通道。

仅音频数据通过 I2S 传输。附加数据（例如各个总线用户的配置）通过其他接口传输。数据传输总是在两个总线之间沿一个方向进行，其中一路总线必须充当主机并负责生成时钟信号。在由多个发送器和接收器组成的复杂系统中，时钟信号由外部总线主控器生成，并且相应的发送器生成数据。

音频

所有数据均以二进制补码和 MSB 优先的方式传输。如果接收方和发送方的字宽存在正差（即一方的字宽小于另一方的字宽），则剩余位填充0。根据规范，数据可以同步于正时钟沿或负时钟沿，从而数据总是在负时钟沿读入。

WS信号选择活动通道，并将低或高相位内的所有数据分配给相应的通道：

WS = 0 – 通道 1（左）

WS = 1 – 通道 2（右）

‌WS信号必须在下一个数据字的 MSB 之前的一个时钟周期发生变化，以便接收器可以将数据读入正确的通道。WS信号的时钟频率通常对应于音频信号的采样频率。

音频

在这篇文章中，展示如何设计一个简单的 I2S 发射器，并使用 CS4344 立体声 D/A 转换器通过扬声器输出恒定的声音。

要输出的声音将存储在 FPGA 的block memory中，并由发送器读出，并将数据发送到 D/A 转换器。整个项目分为三个部分，将逐步讨论：

集成系统时钟和I2S模块的Top设计

集成ROM和I2S发送器的I2S模块

I2S发送器

I2S发送器

设计的最底层应该是 I2S 发送器，其任务是通过 I2S 接口发送各个数据字。

音频

该框图产生了以下发送器：

 

entity I2S_Transmitter is
    Generic (   WIDTH   : INTEGER := 16
                );
    Port (  Clock   : in STD_LOGIC;
            nReset  : in STD_LOGIC;
            Ready   : out STD_LOGIC;
            Tx      : in STD_LOGIC_VECTOR(((2 * WIDTH) - 1) downto 0);
            LRCLK   : out STD_LOGIC;
            SCLK    : out STD_LOGIC;
            SD      : out STD_LOGIC
            );
end I2S_Transmitter;

 

数据字的大小通过WIDTH参数定义。

三级状态机控制发送器，描述如下：

 

architecture I2S_Transmitter_Arch of I2S_Transmitter is

    type State_t is (State_Reset, State_LoadWord, State_TransmitWord);

    signal CurrentState     : State_t      := State_Reset;

    signal Tx_Int  : STD_LOGIC_VECTOR(((2 * WIDTH) - 1) downto 0)  := (others => '0');
    signal Ready_Int        : STD_LOGIC    := '0';
    signal LRCLK_Int        : STD_LOGIC    := '1';
    signal SD_Int           : STD_LOGIC    := '0';
    signal Enable           : STD_LOGIC    := '0';

begin

    process
        variable BitCounter : INTEGER := 0;
    begin
        wait until falling_edge(Clock);

        case CurrentState is
            when State_Reset =>
                Ready_Int <= '0';
                LRCLK_Int <= '1';
                Enable <= '1';
                SD_Int <= '0';
                Tx_Int <= (others => '0');
                CurrentState <= State_LoadWord;
            when State_LoadWord =>
                BitCounter := 0;
                Tx_Int <= Tx;
                LRCLK_Int <= '0';
                CurrentState <= State_TransmitWord;
            when State_TransmitWord =>
                BitCounter := BitCounter + 1;
                if(BitCounter > (WIDTH - 1)) then
                    LRCLK_Int <= '1';
                end if;
                if(BitCounter < ((2 * WIDTH) - 1)) then
                    Ready_Int <= '0';

                    CurrentState <= State_TransmitWord;
                else
                    Ready_Int <= '1';

                    CurrentState <= State_LoadWord;
                end if;
                Tx_Int <= Tx_Int(((2 * WIDTH) - 2) downto 0) & "0";
                SD_Int <= Tx_Int((2 * WIDTH) - 1);
        end case;
        if(nReset = '0') then
            CurrentState <= State_Reset;        
        end if;
    end process;
    Ready <= Ready_Int;
    SCLK <= Clock and Enable;
    LRCLK <= LRCLK_Int;
    SD <= SD_Int;
end I2S_Transmitter_Arch;

 

复位期间，输出信号被置位，SCLK时钟被停用。复位后，机器从State_Reset状态变为State_TransmitWord状态。在此状态下，机器Tx_Int通过 I2S 接口传输缓冲区的内容。

一旦开始传输最后一个数据位，Ready就设置为表示传输结束并准备好接受新数据。然后机器更改为 stateState_LoadWord状态，其中发送缓冲区填充有新的数据字并开始新的传输。

I2S模块

I2S 模块使用 I2S 发送器将数据从 ROM 传输到 D/A 转换器。

音频

具有以下代码：

 

entity I2S is
    Generic (   RATIO   : INTEGER := 8;
                WIDTH   : INTEGER := 16
                );
    Port (  MCLK     : in STD_LOGIC;
            nReset   : in STD_LOGIC;
            LRCLK    : out STD_LOGIC;
            SCLK     : out STD_LOGIC;
            SD       : out STD_LOGIC
            );
end I2S;

 

参数RATIO 定义了SCLK与MCLK WIDTH的比率以及每个通道的数据字的宽度。

除了 I2S 发送器之外，该模块还使用 ROM，该 ROM 可以通过block memory生成器创建并填充数据。两者都可以使用 Vivado 的 IP 来完成。

音频

最后，通过其他选项使用正弦信号 coe 文件（参见附件）对 ROM 进行初始化。

I2S 模块使用状态机从 ROM 读取数据并将其传输到 I2S 发送器。

 

architecture I2S_Arch of I2S is

    type State_t is (State_Reset, State_WaitForReady, State_IncreaseAddress, State_WaitForStart);

    signal CurrentState : State_t    := State_Reset;

    signal Tx  : STD_LOGIC_VECTOR(((2 * WIDTH) - 1) downto 0)      := (others => '0');
    signal ROM_Data : STD_LOGIC_VECTOR((WIDTH - 1) downto 0)       := (others => '0');
    signal ROM_Address  : STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0)             := (others => '0');

    signal Ready        : STD_LOGIC;
    signal SCLK_Int     : STD_LOGIC                                         := '0';

    component I2S_Transmitter is
        Generic (   WIDTH   : INTEGER := 16
                    );
        Port (  Clock   : in STD_LOGIC;
                nReset  : in STD_LOGIC;
                Ready   : out STD_LOGIC;
                Tx      : in STD_LOGIC_VECTOR(((2 * WIDTH) - 1) downto 0);
                LRCLK   : out STD_LOGIC;
                SCLK    : out STD_LOGIC;
                SD      : out STD_LOGIC
                );
    end component;

    component SineROM is
        Port (  Address : in STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0);
                Clock   : in STD_LOGIC;
                DataOut : out STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0)
                );
    end component SineROM;

begin

    Transmitter : I2S_Transmitter generic map(  WIDTH => WIDTH
                                                )
                                  port map(     Clock => SCLK_Int,
                                                nReset => nReset,
                                                Ready => Ready,
                                                Tx => Tx,
                                                LRCLK => LRCLK,
                                                SCLK => SCLK,
                                                SD => SD
                                                );

    ROM : SineROM port map (Clock => MCLK,
                            Address => ROM_Address,
                            DataOut => ROM_Data
                            );

    process
        variable Counter    : INTEGER := 0;
    begin
        wait until rising_edge(MCLK);
        if(Counter < ((RATIO / 2) - 1)) then
            Counter := Counter + 1;
        else
            Counter := 0;
            SCLK_Int <= not SCLK_Int;
        end if;

        if(nReset = '0') then
            Counter := 0;
            SCLK_Int <= '0';
        end if;
    end process;

    process
        variable WordCounter    : INTEGER := 0;
    begin
        wait until rising_edge(MCLK);
        case CurrentState is
            when State_Reset =>
                WordCounter := 0;
                CurrentState <= State_WaitForReady;
            when State_WaitForReady =>
                if(Ready = '1') then
                    CurrentState <= State_WaitForStart;
                else
                    CurrentState <= State_WaitForReady;
                end if;
            when State_WaitForStart =>
                ROM_Address <= STD_LOGIC_VECTOR(to_unsigned(WordCounter, ROM_Address'length));
                Tx <= x"0000" & ROM_Data;
                if(Ready = '0') then
                    CurrentState <= State_IncreaseAddress;
                else
                    CurrentState <= State_WaitForStart;
                end if;
            when State_IncreaseAddress =>
                if(WordCounter < 99) then
                    WordCounter := WordCounter + 1;
                else
                    WordCounter := 0;
                end if;
                CurrentState <= State_WaitForReady;

        end case;
        if(nReset = '0') then
            CurrentState <= State_Reset;
        end if;
    end process;
end I2S_Arch;

 

第一个过程用于从MCLK生成发送器所需的时钟信号SCLK 。

 

process
    variable Counter    : INTEGER := 0;
begin
    wait until rising_edge(MCLK);
    if(Counter < ((RATIO / 2) - 1)) then
        Counter := Counter + 1;
    else
        Counter := 0;
        SCLK_Int <= not SCLK_Int;
    end if;

    if(nReset = '0') then
        Counter := 0;
        SCLK_Int <= '0';
    end if;
end process;

 

第二个进程负责状态机的处理。离开State_Reset状态后，机器在该State_WaitForReady状态下等待，直到发送器发出就绪信号Ready 。‌‌

一旦发送器准备就绪，机器就会更改State_WaitForStart状态。在此状态下，从 ROM 读取当前数据字并将其传输到发送器。

PS:此处显示的 ROM 仅包含一个通道的信息。第二个通道的数据需进行扩展。

一旦发送器清除就绪信号并开始发送数据，状态机就会更改为State_IncreaseAddress状态。该状态下ROM地址加1，然后切换回State_WaitForReady状态

top模块

最后一个组件是顶层设计，包括 I2S 模块和时钟PLL。

本示例使用以下参数来控制 CS4344：

MCLK：12.288MHz

SCLK：1.536 MHz

LRCLK：48kHz

比率：8

宽度：16

时钟PLL生成 12.288 MHz 时钟，并与之前代码中完成的 I2S 模块一起实例化。

音频

 

entity Top is
    Generic (   RATIO   : INTEGER := 8;
                WIDTH   : INTEGER := 16
                );
    Port (  Clock   : in STD_LOGIC;
            nReset  : in STD_LOGIC;
            MCLK    : out STD_LOGIC;
            LRCLK   : out STD_LOGIC;
            SCLK    : out STD_LOGIC;
            SD      : out STD_LOGIC;
            LED     : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0)
            );
end Top;

architecture Top_Arch of Top is

    signal nSystemReset : STD_LOGIC := '0';
    signal MCLK_DCM     : STD_LOGIC := '0';
    signal Locked       : STD_LOGIC := '0';

    component I2S is    
        Generic (   RATIO   : INTEGER := 8;
                    WIDTH   : INTEGER := 16
                    );
        Port (  MCLK    : in STD_LOGIC;
                nReset   : in STD_LOGIC;
                LRCLK    : out STD_LOGIC;
                SCLK     : out STD_LOGIC;
                SD       : out STD_LOGIC
                );
    end component;

    component AudioClock is
        Port (  ClockIn     : in STD_LOGIC;
                Locked      : out STD_LOGIC;
                MCLK        : out STD_LOGIC;
                nReset      : in STD_LOGIC
                );
    end component;

begin

    InputClock : AudioClock port map (  ClockIn => Clock,
                                        nReset => nReset,
                                        MCLK => MCLK_DCM,
                                        Locked => Locked
                                        );

    I2S_Module : I2S generic map (  RATIO => RATIO,
                                    WIDTH => WIDTH
                                    )
                          port map ( MCLK => MCLK_DCM,
                                     nReset => nSystemReset,
                                     LRCLK => LRCLK,
                                     SCLK => SCLK,
                                     SD => SD
                                     );

    nSystemReset <= nReset and Locked;
    LED(0) <= nReset;
    LED(1) <= Locked;
    LED(2) <= nSystemReset;
    MCLK <= MCLK_DCM;

end Top_Arch;

 

最后就可以进行测试。理想情况下，D/A 转换器输出 480 Hz 正弦信号。因为来自 ROM 的信号模式的长度为 100 个样本，采样频率为 48 kHz。可以用示波器检查总线和信号：

音频

此外，还可以检查音频信号（示波器的 FFT 功能是实现此目的的最佳工具）。

音频

附件-Coe

 

memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
0000,
0809,
100A,
17FB,
1FD4,
278D,
2F1E,
367F,
3DA9,
4495,
4B3B,
5196,
579E,
5D4E,
629F,
678D,
6C12,
7029,
73D0,
7701,
79BB,
7BF9,
7DBA,
7EFC,
7FBE,
7FFF,
7FBE,
7EFC,
7DBA,
7BF9,
79BB,
7701,
73D0,
7029,
6C12,
678D,
629F,
5D4E,
579E,
5196,
4B3B,
4495,
3DA9,
367F,
2F1E,
278D,
1FD4,
17FB,
100A,
0809,
0000,
F7F7,
EFF6,
E805,
E02C,
D873,
D0E2,
C981,
C257,
BB6B,
B4C5,
AE6A,
A862,
A2B2,
9D61,
9873,
93EE,
8FD7,
8C30,
88FF,
8645,
8407,
8246,
8104,
8042,
8001,
8042,
8104,
8246,
8407,
8645,
88FF,
8C30,
8FD7,
93EE,
9873,
9D61,
A2B2,
A862,
AE6A,
B4C5,
BB6B,
C257,
C981,
D0E2,
D873,
E02C,
E805,
EFF6,
F7F7,

 

下一篇文章，将向 I2S 发送器添加 AXI-Stream 接口，并将其与 ZYNQ 的处理系统连接，播放 SD 卡中的音频文件。

审核编辑：汤梓红

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