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基于SOPC的SD卡WAV音频播放器设计文档.doc

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基于SOPC的SD卡WAV音频播放器 设计报告 组员:贾 登 仪器10802班 张子龙 信工10803班 郭建林 信工10803班 日期:2011年5月29日 基于sopc的sd卡wav音频播放器设计 摘要:本设计使用SOPC Builder在FPGA芯片上定制一个高速CPU实现FPGA与SD卡的SPI模式通信,并根据SD卡的FAT32文件系统读取SD卡内的WAV文件,读到的的音频文件数据送到FIFO模块,以将数据根据其采样率均匀输出到DA播放电路,实现了SD卡根目录下WAV文件的顺序播放、暂停、上一曲、下一曲功能。与SD卡的通信在NIOS Ⅱ 软件中用C语言编写,FIFO模块用Verilog HDL语言编写,音频数据的播放由DAC0832、uA741运放、音箱完成。 关键词:FPGA 、SOPC、SD卡、SPI、FAT32、DA0832 一、设计指标: 系统上电后,自动顺序播放sd卡根目录中所有wav音频文件。Wav音频文件的频率可以是8k、16k、24k、32k、44.1k之中的任何一种,硬件电路自动根据实际的歌曲频率切换输出音乐数据的频率。按键实现播放下一曲、上一曲、暂停功能。 扩展功能:通过遥控器红外线控制播放下一曲、上一曲、暂停 二、硬件平台: CycloneⅡ EP2C5T144C8 FPGA 开发板(自带sd卡模块) DAC0832+UA741构成的DA转换模块 其他资源:杜邦线、电源、测试用音箱、(单片机)等。 三、软件平台: QuartusⅡ 8.1 NIOS Ⅱ 8.1 IDE 四、设计方案: 4.1综合分析: A、选单片机还是FPGA? 虽然我们跟熟悉的是单片机,但是这个课题对时间要求或者说cpu的处理速度要求较高,单片机接24M晶振也达不到速度上的要求,因此选择fpga是比较合适的。Fpga配上50M的晶振实现高速访问sd卡并实时播放音乐文件是可以实现的。 B、用verilog开发还是C语言开发? 接下来又有两个选择,是采用verilog语言开发还是采用SOPC定制软核再在NIOS Ⅱ IDE中用C语言进行编程实现。若采用verilog进行开发,软件编程上难度较大,时序不容易把握再加上实时调试也比较困难。采用C语言编程,在时序控制上比较容易,借助于NIOS Ⅱ IDE的强大在线调试功能,可以很方便的发现程序的错误并改正。综上几点原因我们选择了用定制cpu的方式进行此课题的设计。 C、采用哪种方式访问sd卡,4位SD模式还是spi模式? 4位sd模式对处理器要求较spi模式要高(crc校验不能忽略),还有cmd命令线是双向端口(发送命令和接受命令都经过cmd线),较spi全部单向传输要麻烦。在实际测试下,spi模式在速度上可以达到本课题设计要求,所以选择了spi模式对sd卡进行通信。 4.2怎样从SD卡读取wav音频文件的数据? Cpu跟SD卡在底层进行spi通信,在软件上层利用FAT32文件系统获取文件的具体相关信息及文件数据。具体流程如下: 获取SD卡第0扇区的5112字节数据→→→计算得到根目录所在扇区→→→ →→→获取根目录所在扇区的5112字节数据→→→计算音频文件所在扇区或开始簇号→→→根据FAT表分析文件所占有簇的分布情况→→→从而读取整个音频文件 4.3如何保证读到的音频文件按其采样频率输出? 由于sd卡读取数据的速度的不可控性,另外WAV音频文件比较大,一首歌多达十到几十M,只能采用边读边放才能保证音乐实时不间断地放出来。播放的速度只取决于歌曲的采样频率,播放速度在播放过程中不能变化。解决方法:cpu只负责读取音乐数据,FIFO模块将数据按歌曲采样频率送到DAC。FIFO模块产生wren(允许写入信号)通知cpu对FIFO 指定数据块内容进行写入新数据,这样播放的速度就始终保持不变,也能保证完整而不重复地播放音乐文件。 五、系统各模块设计 5.1、SD卡spi通信 电路简化示意图: 5.2、SD卡操作时序图: 5.3、CPU及外设设计 FPGA开发板上50M有源晶振为整个系统提供时钟脉冲信号,为了充分地利用FPGA的高速性能,借助QuartusⅡ 中PLL模块对时钟进行3倍频,就可以让cpu的外部时钟频率达到150M。综合考虑速度及FPGA开发板资源情况,选择cpu类型为标准型,执行速度可达到75DMIPS。
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