如何使用FPGA播放音频文件

内部集成电路音频接口(简称I2S)由飞利浦公司开发，用于通过串行接口在不同IC之间传输数字音频数据(例如从处理器到DAC)。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线。

•SD(串行数据)——每个数据字节的各个位通过此线路传输。

•WS(字选择)——用于定义所传输数据字的长度，同时用于标识左右音频通道。

I2S仅传输音频数据，而其他附加数据(如各总线用户的配置)则通过其他接口传输。数据传输始终单向进行，且发生在两个总线用户之间，其中总线用户需充当主控角色，并负责生成时钟信号。在包含多个发送器和接收器的复杂系统中，时钟信号由外部总线主控产生，而相应的发送器则生成数据。

所有数据均以二进制补码形式传输，且按最右边的最高有效位(MSB)优先。如果收发双方的数据宽度存在正向差异(即一方的数据宽度小于另一方)，则剩余比特用0填充;若差异为负(即一方的数据宽度大于另一方)，则剩余比特被忽略。根据规范，数据可同步到正或负时钟边沿，但数据始终在负时钟边沿读取。

WS信号用于选择激活通道，低相位或高相位内的所有数据将分别分配给对应的通道。具体如下：

•WS = 0 – 通道1(左)

•WS = 1 – 通道2(右)

WS信号必须在下一个数据字节的MSB之前一个时钟周期改变，以便接收端能够将数据正确读入相应通道。WS信号的时钟频率通常与音频信号的采样频率一致。

在第一部分，我将展示如何设计并使用一个简单的I2S发射器，通过CS4344立体声D/A转换器输出恒定的声音至扬声器。

要输出的声音数据存储在FPGA的块存储器中，由发射器读取后发送至D/A转换器。整个项目分为三个部分，我将逐步进行说明：

- 上层设计：集成系统时钟和I2S模块

- I2S模块：集成ROM与I2S发射器

I2S发射器

I2S发射器是本设计的下层核心，其任务是通过I2S接口传输单个数据字。

根据该设计的框图，发射器的结构如下：

数据字的大小由参数WIDTH定义。

一个三阶段状态机控制发射器，具体描述如下：

在复位期间，输出信号被清除，SCLK时钟被禁用。复位完成后，状态机从State_Reset状态切换到State_TransmitWord状态。在此状态下，机器通过I2S接口传输缓冲区Tx_Int中的内容。

一旦开始传输最后一个数据位，Ready状态将被设置为信号传输结束，并准备接收新数据。随后，机器进入State_LoadWord状态，发送缓冲区将被填充为新的数据字，从而启动新的传输。

I2S 模块

I2S 发射器由高层 I2S 模块使用，用于将数据从 ROM 传输到 D/A 转换器。

以下实体中：

参数 RATIO 和 WIDTH 分别定义了 SCLK 与 MCLK 的比例以及每个通道的数据字宽。

除了 I2S 发射器外，该模块还使用一个 ROM，可通过块存储器生成器创建，并用数据填充。这两个操作均可通过 Vivado 的 IP 集成器完成。

最后，通过“其他选项”使用正弦信号系数文件(参见附件)对 ROM 进行初始化。

I2S 模块使用状态机从 ROM 中读取数据，并将其传输至 I2S 发射器。

第一个过程用于根据 MCLK 生成发射器所需的时钟信号 SCLK。

第二个过程负责状态机的处理。在离开 Reset 状态后，状态机进入 WaitForReady 状态，等待发射器通过 Ready 信号发出就绪信号。

一旦发射器准备就绪，状态机将切换到 WaitForStart 状态，在此状态下，从 ROM 中读取当前数据字并传送到发射器。

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相应扩展。

一旦发射器清除就绪信号并开始传输数据，状态机将切换至State_IncreaseAddress状态。在此状态下，ROM地址增加1后，再返回State_WaitForReady状态。

顶层模块

最后一个组件是顶层设计，包含I2S模块和时钟生成向导。

本示例使用以下参数来控制CS4344：

•MCLK：12.288 MHz

•SCLK：1.536 MHz

•LRCLK：48 kHz

•RATIO：8

•WIDTH：16

时钟生成向导用于从可编程逻辑的振荡频率中生成12.288 MHz的时钟信号。为此，通过IP集成器插入时钟生成向导，并在VHDL代码中与完成的I2S模块一起实例化。

此时设计即可实现、上传至FPGA并进行测试。理想情况下，D/A转换器应输出480 Hz的正弦波信号，因为ROM中的信号模式长度为100个采样点，采样频率为48 kHz。通信及信号可通过示波器进行检查：

因此，可以检查音频信号。示波器的FFT功能是实现这一操作的理想工具。

在本教程的下一部分中，我们将为I2S发射器添加AXI-Stream接口，并将其连接到ZYNQ的处理系统，以从SD卡播放音频。

本文编译自hackster.io