基于FPGA NIOS处理器的数码音乐相册
題記：這是一篇學生時代的學習記錄隨筆，現在發送出來大家參考參考，同時也測試一下Live Writer寫博客的便利，直接復制粘貼即可，很方便。
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這個實驗可以充分學習FPGA? 以及SOPC的利用，做成一個具有很復雜程度的作品。學習到很多平時不能接觸的知識。
?? 這個實驗要用到的硬件有：
SD卡一張
DE2開發板
320*240的TFT液晶：SSD1289
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一個無源喇叭
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本實驗難度比較大，主要涉及了很多知識!而且都不是平時我們接觸過的知識。
本實驗主要包含了幾個大的部分：
1.???? 音樂的播放驅動
2.???? SSD1289? TFT液晶驅動
3.???? SD卡讀取驅動
4.???? FAT32文件系統的初步認識，實現根目錄下的讀取
5.???? 整個FPGA里面NIOS模塊和外部模塊的鏈接.
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6.???? WAV文件的制作，以及處理成不同采樣率，不同位數的音頻數據
7.???? BMP圖片的制作，以及在不同處理器架構下的處理，在SD卡存儲方式和取模出來的數據的不同
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現在分別介紹不同模塊的實現問題：
一．???? 首先最開始要實現的是音頻數據的播放
音頻具有很多編碼，WAV,MP3等等，本實驗有兩個方法
現音頻的播放：基于WM8731音頻芯片的播放，以及直接用FPGA寫出PWM控制器來播放。
???????? 首先介紹的是音頻知識
???????? 我們平時接觸到的最多的音頻既是MP3音頻，它是一種高度壓縮的音頻數據，因此播放它需要一塊專門的集成高速DSP處理器音頻芯片解碼。比如VS1003B芯片，是最常用的音頻編解碼芯片，由于價格昂貴，所以我沒有使用這種芯片，轉而使用WAV文件來播放。WAV是一種原始的音頻數據文件，相當于電壓值的AD數據。
轉換WAV文件又要使用到音頻編譯的專門軟件? COOLEDIT軟件
這款軟件能實現音頻文件的各種轉換，可以轉換成WAV? 各種采樣率。
???????? 現在介紹的是WM831音頻芯片的使用以及播放：
?WM8731是一款具有高音頻帶寬的芯片，可以播放速率從8KHZ到96KHZ的WAV文件，由于它內部沒有集成高速DSP解碼處理器核，所以只能播放的是WAV文件。WM8731是一款高速的AD轉換器。支持16位音頻到32位音頻的播放，它的配置采用的是I2C配置方式。在我這個項目中我實現的配置是，從模式16位寬。32KHZ采樣率。這里不得不說道的是WAV文件16位數據和8位數據有很大區別。16位文件包含了正負音頻電壓值，而8位音頻數據只有正電壓。在最開始一直沒理解到，所以犯了很多錯誤。
WM8731也是一款比較難操作的音頻芯片，在具體實現的時候我用了兩個高速緩存來實現數據的傳送，數據是由NIOS在SD卡中以FAT32格式化下，以根目錄的存取方式取出來緩沖，在傳送，以WM8731轉換完一個音頻數據時產生的高電平來實現外部中斷送值。具體操作這里就不做詳細介紹了。
第二種方法，就是直接用VERLIOG代碼生成一個PWM控制器，從NIOS中接收數據來實現PWM播放音樂.這種方法比較新穎。
由于，耳機，以及無源喇叭是慣性器件，PWM波作用在其上就等同相等的電壓值作用在上面，從而實現類似AD的播放。這種用VERLIOG寫出的PWM播放機的缺點就是在FPGA的管腳上不能出現負電壓，所以只能播放的是8位數據的音頻電壓值。，我的PWM播放思想是，嚴格按照采樣率來送電壓值，送值時間由NIOS內部定時器來實現。PWM控制模塊只負責把數據轉換成PWM波就可以了。
這也是一個比較難理解的過程，需要細細揣摩！
?????????? ?第三種方法，直接使用DA芯片轉換出電壓值，從而播放出音樂。最開始我選擇了DAC0832電流型DA芯片來播放音樂，結果失敗了，后來仔細研究才知道，原來DAC0832類型很多，，增強，快速，普通等等。我使用的是普通的0832芯片，電壓轉換時間是150多US，聯最基本的8KHZ的采樣率音頻速度都不能達到，所以這個方案不能實施。但是可以換增強型快速的DAC0832芯片來做，轉換時間快到只需要10多US就可以轉換完。（這個理論上能成功，但是我沒有芯片所以沒實施。）DAC0832最大的缺點是電流型，所以還要通過運放轉換成電壓。最好的方法是選用TLC5615電壓型DA芯片，轉換速度也快，SPI接口很好操作。
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二．???? SD卡的驅動
DE2上有SD卡接口，由于NIOS不帶硬件驅動SD卡，所以
選取的是IO口模擬SPI來對SD卡操作。NIOS組件里面也帶有硬件SPI發送器，由于現在這個IP技術不成熟，一次只能傳送8位的數據，因此，不滿足SD卡SPI驅動要求，所以我選用的是IO口模擬SPI操作SD卡，在模擬的時候，我用程序寫的是高速的模擬SPI，不用循環，比一般采用循環模擬SPI快了一倍，因此為我后面大量BMP圖片數據，以及WAV音頻數據讀取提供了有利的基礎。
?????????? SD卡的驅動也很復雜，要嚴格按照SD卡的時序來給它送值，而且還有很多補償時鐘這些，但是必須把SD卡底層操作函數百分百寫對，才能在后續的FAT32文件系統下的讀取提供有利的支持。
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三．???? FAT32文件系統的認識
FAT32文件系統時現在主流電腦里面使用的最多的文件系統，
我的BMP圖片，WAV音頻數據都是在電腦上以FAT32文件系統架構下拷貝進去的，因此，這個實驗必須了解文件系統。
?????????? FAT32文件系統主要由三個大區組成：MBR區（很多SD卡沒有MBR區，只要0扇區第一個字節不是EB打頭就不存在MBR區）。
第二個區是BPB區。內部包含了整個FAT32文件系統的信息，包括了數據區的開始區域，以及FAT表的扇區。
?????????? 第三個區域就是數據區，內部包含了各個文件的真實數據。
數據的鏈表在FAT表里面。
?????????? 由于實現FAT32文件系統非常之復雜，因此，我實現的FAT32文件系統只能簡單的讀取根目錄下的文件信息，所以，BMP圖片以及WAV音頻只能存在根目錄下，不能建文件夾！
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五，TFT液晶的認識
?????????? TFT液晶是一種很常用的廉價的液晶，TFT液晶分為高，中，低很多檔次。我使用的TFT液晶是一款支持6萬色的的液晶模塊。
3.2寸320*240 的SSD1289，最開始使用的是ILI9230（2.8寸TFT液晶）。
?????????? TFT液晶和傳統的點陣型12864，1602等有很大的不同。操作方式也很不同。SSD1289其實是液晶的驅動芯片。只需找到SSD1289的芯片手冊，即可實現液晶驅動（難度其實非常大，SSD1289主控芯片內部有256個寄存器，其中常用需要初始化配置的寄存器多大40多個）。由于以前有過寫TFT液晶的經驗，所以操作起來還是比較快。只要嚴格的按照控制芯片的手冊時序來寫驅動，操作起來也不是非常困難。
?????????? SSD1289支持的是RGB色的565色的BMP圖片。因此，需要在電腦上轉換出BMP圖片。由于BMP圖片一張16色240*320的圖片都多達150K，相冊圖片又很大，所以不可能在NIOS內部用數組形式存放。必須在SD卡中存放。因此，我們又必須認識BMP圖片在SD卡中的存儲格式。
?????????? SSD1289TFT液晶上顯示漢字時候要使用到專用LCD取模軟件，取出相應的字模到LCD上顯示，因為液晶相冊要使用到很多文字提示信息，所以要用液晶顯示漢字。
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六．???? BMP圖片的制作
BMP圖片是一種高真彩色的位圖，沒有經過壓縮的處理，因此數據量還是比較大。數據位寬代表的是色彩色RGB的數據位，RGB數據位越寬，則色彩越逼真。從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。
在這里不得不說我在制作過程中遇到的困難。16位色位圖的565模式和555模式，BMP圖片在SD卡中儲存是以555模式儲存。而且是以一張圖片的左下角開始掃描儲存，這是SD卡儲存方式，而我們取模出來的數據時565數據，而且是從左上角開始儲存，最開始我是以取模方式做的圖片顯示，所以直接移植到SD卡方式顯示會出現很大的問題，最后我才發現了上述問題。
七．制作適合TFT液晶使用的BMP圖片
?????????? 制作BMP圖片會使用到I mage2LCD軟件，美圖秀秀軟件，以及GIF動畫分離軟件。
?????????? 首先，美圖秀秀軟件用來裁剪你選中的圖片到你所需要的尺寸。因為一般電腦上的圖片遠遠大于240*320的大小。
?????????? 做成了240*320的圖片后，還有一個很重要的問題要考慮，那就是圖片的位數，電腦上的圖片都是24位真彩色的圖片，所以，如果要使用軟件解碼也能實現，但是24位數據量太大，所以采用了IMAGE軟件來轉換成16色的BMP圖片然后存儲到SD卡里面。
?????????? GIF動畫分離軟件
?????????? 是一款專門用于分離動畫，以及AVI視頻的軟件，可以把這些視頻信息分離成一幀一幀的圖片，然后再按照上面的步湊做出BMP圖片，放到SD卡里面高速讀取顯示只要滿足播放時間間隔就可以做出動畫。這個是一個附加功能！非常好玩！
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八，整個系統的構建。
?????????? 首先在FPGA里面新建出符合本實驗要求的工程，在SOPC內部添加出各種接口以及IO口。然后，格式化FAT32文件系統，接下來開始讀取SD卡內部的WAV以及BMP信息，我測算過由于我的讀取速度在8MS就能讀取完一個扇區的數據量，因此邊讀邊播放顯示時間要求比較嚴，因此我采用的是先把WAV文件全部讀取出來存放好，DE2上板載SDRAM達到8M? FLASH達到4M因此能容納8首左右的8KHZ采樣率8位的音頻。而BMP圖片采取邊讀SD卡邊播放的方式，從而實現了整個音樂相冊的實驗！
最后輕松下，測試一下直接發送圖片。還是很方便
轉載于:https://www.cnblogs.com/linjie-swust/archive/2012/03/10/NIOS_II.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的基于FPGA NIOS处理器的数码音乐相册的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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