【FPGA设计实例】基于FPGA NIOS处理器的数码音乐相册

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！
最后轻松下，测试一下直接发送图片。还是很方便