如何用FPGA结合音频编解码芯片
时间：2020-06-05 12:21:01
[导读]1.概叙
WM873l是一款功能强大的低功耗立体声24位音频编解码芯片，其高性能耳机驱动器、低功耗设计、可控采样频率、可选择的滤波器使得WM8731芯片广泛使用于便携式MP3，CD，PDA的场合
1.概叙
WM873l是一款功能强大的低功耗立体声24位音频编解码芯片，其高性能耳机驱动器、低功耗设计、可控采样频率、可选择的滤波器使得WM8731芯片广泛使用于便携式MP3，CD，PDA的场合。其结构框图如图1所示。
WM8731包含2个线路输入和1路麦克风输入并可以进行音量调节；内置片上ADC(模拟数字转换器)及可选择的高通数字滤波器；采用高品质过采样率结构的DAC(数字模拟转换器)；线路输出和耳机输出；内置晶体振荡器以及可配置的数字音频接口和2或3线可选的微处理器控制接口等。控制器可通过控制接口(Control InteRFace)对WM8731进行配置，然后通过数字音频接口(Digtal Audio Interface)读写数据音频信号。本文设计了一种基于FPGA的驱动模块，将WM8731的控制接口与数字音频接口转换为控制器通用的总线接口，使控制器可以像读写外部寄存器一样对WM8731芯片进行控制使用。
2 WM8731芯片接口时序介绍
2.1 控制接口时序
WM8731的控制接口有4根引脚，分别为：MODE(控制接口选择线)、CSB(片选或地址选择线)、SDIN(数据输入线)和SCLK(时钟输入线)。它具有2线和3线两种模式。2线为MPU接口，3线为兼容SPI接口。对控制接口的配置选择可通过设置MODE脚的状态完成。选择MODE为0时为2线模式，1时为3线模式。本文采用2线模式对WM8731进行控制。其时序图如图2所示。
2.2 数字音频接口时序
WM8731的数字音频接口有5根引脚，分别为：BCLK(数字音频位时钟)、DACDAT(DAC数字音频数据输入)、DACIRC(DAC采样左/右声道信号)、ADC－DAT(ADC数字音频信号输出)、ADCLRC(ADC采样左/右声道信号)。
数字音频接口可以工作在主模式和从模式下。地址为0000111的寄存器的第6位设置数据的主/从模式：“1”为主模式，“0”为从模式。ADCDAT、/DACDAI和ADCLRC/DACLRC与位时钟BCIK同步，在每个BCLK的下降沿进行一次传输。BCLK和ADCLRC/DACLRC在主模式时为输出信号，从模式下为输入信号。DAC－DAT始终为输入信号，ADCDAT始终为输出信号。
数字输出支持4种音频数据模式：右对齐、左对齐、I2S和DSP模式。通过对寄存器的不同配置，可以设置传输的数据格式。寄存器配置值如下：
寄存器地址0000111的1～0位设置音频格式：“11”时为DSF’格式，“10”为I2S格式，“01”为左对齐格式，“00’为右对齐格式。
3～2位设置字长：“11”时为32位，“10”为24位，“01”为20位，“00’为16位。
这四种音频格式都是高位(MSB)在前，16～32位。但32位数据不支持右对齐模式。
本文采用主模式的左对齐数据格式，左对齐数据格式传输如图3：左对齐格式时，MSB在BCLK的第一个上升沿有效，紧接着是一个ADCLRC或DACLRC传输。
3 WM8731芯片驱动的FPGA设计
3.1 驱动器的总体设计方案
本文设计驱动器在使用时的框图如图4所示。双口RAM和驱动器一同连接在控制器的数据总线和地址总线上，控制器只需提供少量的控制线即可完成对音频编解码芯片wM8731的控制及数据交换功能。
驱动器内部结构框图如图5所示。控制部分提供驱动器与控制器之间的接口(包含有数据总线信号、地址总线信号和控制信号)，同时产生控制字转换单元和数字音频接口单元的控制信号；内部寄存器缓存控制字和状态字；控制字转化单元负责将控制字串行发送给WM8731，同时效验传送信号；数据音频接口单元完成WM8731与外部双口RAM的串并转换，实现对数字音频信号的发送和接收功能。
表l 状态寄存器控制字的对应定义
3.2.2
控制字转换单元
当START控制位置‘1’时，将控制字寄存器中的数据串行发送给WM8731，当传输出现错误时，将状态寄存器中的ACK位置1。如图6所示。
3.2.3
数字音频接口单元
当读入数字音频标志位C1为‘1’，接收WM873l芯片传来的数字音频数据并将其存入外部双口RAM中，当输出数字音频数据标志位C2为‘1’时，将双口RAM中的音频数据发送给wM8731。如图7所示。
3.3
系统仿真
下面给出控制器通过该驱动模块对WM8731写控制字的时序仿真如图8所示。图中各引脚定义如表2所示。
4
结 语
利用FPGA对音频编解码芯片WM8731进行接口电路的设计，实现了控制接口与数字音频接口的统一控制，简化了对音频编解码芯片WM8731的使用步骤，具有扩展性好、使用简单方便、易于升级等优点，对其他芯片的接口设计也有一定的参考意义。
WM873l是一款功能强大的低功耗立体声24位音频编解码芯片，其高性能耳机驱动器、低功耗设计、可控采样频率、可选择的滤波器使得WM8731芯片广泛使用于便携式MP3，CD，PDA的场合。其结构框图如图1所示。
WM8731包含2个线路输入和1路麦克风输入并可以进行音量调节；内置片上ADC(模拟数字转换器)及可选择的高通数字滤波器；采用高品质过采样率结构的DAC(数字模拟转换器)；线路输出和耳机输出；内置晶体振荡器以及可配置的数字音频接口和2或3线可选的微处理器控制接口等。控制器可通过控制接口(Control InteRFace)对WM8731进行配置，然后通过数字音频接口(Digtal Audio Interface)读写数据音频信号。本文设计了一种基于FPGA的驱动模块，将WM8731的控制接口与数字音频接口转换为控制器通用的总线接口，使控制器可以像读写外部寄存器一样对WM8731芯片进行控制使用。
2 WM8731芯片接口时序介绍
2.1 控制接口时序
WM8731的控制接口有4根引脚，分别为：MODE(控制接口选择线)、CSB(片选或地址选择线)、SDIN(数据输入线)和SCLK(时钟输入线)。它具有2线和3线两种模式。2线为MPU接口，3线为兼容SPI接口。对控制接口的配置选择可通过设置MODE脚的状态完成。选择MODE为0时为2线模式，1时为3线模式。本文采用2线模式对WM8731进行控制。其时序图如图2所示。
2.2 数字音频接口时序
WM8731的数字音频接口有5根引脚，分别为：BCLK(数字音频位时钟)、DACDAT(DAC数字音频数据输入)、DACIRC(DAC采样左/右声道信号)、ADC－DAT(ADC数字音频信号输出)、ADCLRC(ADC采样左/右声道信号)。
数字音频接口可以工作在主模式和从模式下。地址为0000111的寄存器的第6位设置数据的主/从模式：“1”为主模式，“0”为从模式。ADCDAT、/DACDAI和ADCLRC/DACLRC与位时钟BCIK同步，在每个BCLK的下降沿进行一次传输。BCLK和ADCLRC/DACLRC在主模式时为输出信号，从模式下为输入信号。DAC－DAT始终为输入信号，ADCDAT始终为输出信号。
数字输出支持4种音频数据模式：右对齐、左对齐、I2S和DSP模式。通过对寄存器的不同配置，可以设置传输的数据格式。寄存器配置值如下：
寄存器地址0000111的1～0位设置音频格式：“11”时为DSF’格式，“10”为I2S格式，“01”为左对齐格式，“00’为右对齐格式。
3～2位设置字长：“11”时为32位，“10”为24位，“01”为20位，“00’为16位。
这四种音频格式都是高位(MSB)在前，16～32位。但32位数据不支持右对齐模式。
本文采用主模式的左对齐数据格式，左对齐数据格式传输如图3：左对齐格式时，MSB在BCLK的第一个上升沿有效，紧接着是一个ADCLRC或DACLRC传输。
3 WM8731芯片驱动的FPGA设计
3.1 驱动器的总体设计方案
本文设计驱动器在使用时的框图如图4所示。双口RAM和驱动器一同连接在控制器的数据总线和地址总线上，控制器只需提供少量的控制线即可完成对音频编解码芯片wM8731的控制及数据交换功能。
驱动器内部结构框图如图5所示。控制部分提供驱动器与控制器之间的接口(包含有数据总线信号、地址总线信号和控制信号)，同时产生控制字转换单元和数字音频接口单元的控制信号；内部寄存器缓存控制字和状态字；控制字转化单元负责将控制字串行发送给WM8731，同时效验传送信号；数据音频接口单元完成WM8731与外部双口RAM的串并转换，实现对数字音频信号的发送和接收功能。
表l 状态寄存器控制字的对应定义
3.2.2
控制字转换单元
当START控制位置‘1’时，将控制字寄存器中的数据串行发送给WM8731，当传输出现错误时，将状态寄存器中的ACK位置1。如图6所示。
3.2.3
数字音频接口单元
当读入数字音频标志位C1为‘1’，接收WM873l芯片传来的数字音频数据并将其存入外部双口RAM中，当输出数字音频数据标志位C2为‘1’时，将双口RAM中的音频数据发送给wM8731。如图7所示。
3.3
系统仿真
下面给出控制器通过该驱动模块对WM8731写控制字的时序仿真如图8所示。图中各引脚定义如表2所示。
4
结 语
利用FPGA对音频编解码芯片WM8731进行接口电路的设计，实现了控制接口与数字音频接口的统一控制，简化了对音频编解码芯片WM8731的使用步骤，具有扩展性好、使用简单方便、易于升级等优点，对其他芯片的接口设计也有一定的参考意义。
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