基于FPGA-NIOS的多功能留言机设计

摘要：随着科技的进步，人们生活中对于联络的需求越来越高，而传统基于电话的留言机在没有手机或电话的情况下具有诸多不便。针对上述需求，设计了一款应用于家庭用户中的多功能留言机。考虑到FPGA的诸多特点，采用可编程逻辑器件(FPGA)和嵌入式软核NIOS II处理器完成系统设计。设计基于50MHz的系统时钟，利用SOPC定制用户系统，采用软硬件协同设计的方案，可于2分钟之内完成图像的采集和JPEG压缩，通过触摸屏方便与用户间的交互，支持语音留言、留言提示、电子钥匙、用户管理、电子时钟、语音报时、自动待机和屏保等功能。
关键词：现场可编程门阵列；NIOSII；留言机：JPEG

0 引言
    随着科学技术的进步，当下人们生活中对于联络的需求越来越高。传统的留言机设计功能单一，灵活性和可靠性受到一定限制。为此考虑设计一款应用于家庭用户的多功能留言机，当来访者留下信息时，主人可以在第一时间获知，并可以回家时查看或者进行远程控制。FPGA由于其具有灵活的可配置性、成本低、速度快、体积小和拥有丰富的寄存器资源等特点而获得了广泛的应用。Altera公司为用户提供了创新的SOPC设计理念，其系统设计工具SOPC Builder，集成内嵌的NIOSII处理器，方便用户根据应用需求对NIOSII进行裁剪、定制。本设计采用基于FPGA的SOPC系统，充分利用软件设计的灵活性和硬件设计的高效性，具有以下功能：
    (1)留言提示：按下采集键时，可采集来访者的图像和语音留言，并把图片以彩信的方式发送。
    (2)时钟及手机号设定。
    (3)用户管理。
    (4)备忘留言。
    (5)真人语音报时。
    (6)自动待机及屏保。
    (7)Windows兼容的存储文件格式。

1 系统设计概述
    系统分为语音采集存储播放、图像采集存储、图像压缩、彩信传输、触摸屏驱动及显示等几大部分。整体系统在架构上又可以分为软件及硬件设计两大部分。系统功能框图如图1所示。

    设计基于Terasic公司的DE2—70平台，采用Altera公司的Cyclone II系列的FPGA器件和Terasic公司提供的130万像素的CMOS摄像头、800 400分辨率的触摸屏以及PTW73型GPRS MODEM。图像采集采用纯硬件实现，以SDRAM作为缓存。NIOSII处理器从SDRAM中读取采集到的图像并进行JPEG压缩后由串口通过彩信猫发送出去。语音的采集存储播放由软件实现，使用Altera公司大学计划的IP核完成对音频芯片WM8731的配置。触摸屏利用用IP核进行图片和字符的显示控制。系统设计中的语音和图片等信息都存放于SD卡中。对以上功能采用了如下的一些处理技术或特点：
    (1)设计基于Avalon总线架构，充分利用现有的Altera公司提供的IP核资源，包括音频芯片的配置、VGA控制显示、存储器的控制等，并设计添加了针对系统时钟、采集端口、触摸屏端口的IP核。
    (2)对语音信息的采集和播放进行速度上的优化。由于CPU对SD卡的读写速度较SDRAM慢，故在采集和播放音频信息时，在SDRAM中单独开辟一个缓存区用以存放音频信息。
    (3)由于采集到的bmp图像容量较大，设计中采用静态图像压缩标准JPEG对图像进行压缩，以便于图片进行彩信传输。
    (4)彩信传输基于GPRS传输协议和AT指令集，通过RS232串口与主机进行连接。
    (5)系统中的实时时钟采用硬件方式实现，为CPU提供更多的时间做其他处理，提高了处理性能。
    (6)系统与用户的交互主要通过触摸屏实现。
    (7)设计中对一些耗时的部分算法进行了自定义指令加速，在一定程度上缩短了系统的处理时间。

2 系统设计架构及流程
    系统基于Avalon总线，采用软硬件协同设计的方式。图像采集、对触摸屏的配置和系统时钟等采用硬件方式实现，其他模块利用SOPC进行定制，完成整个系统的搭建。系统架构图如图2所示。

    设计基于NIOSⅡ处理器，软件采集发送功能设计流程如图3所示。总体设计上，软件可以分为采集发送部分和系统主菜单，并且设计上充分考虑了用户的需求，增加了诸如语音报时、电子时钟、定时播放等功能。

3 系统设计实现
    系统的功能模块主要包括以下四个部分：图像采集与压缩；音频采集和播放；彩信传输；触摸屏驱动及显示。
3．1 图像采集与压缩
    图像采集采用硬件方式实现，基于130万像素的CMOS摄像头，采集系统结构框图如图4所示。采用I2C总线对摄像头进行配置，SDRAM作为图像缓存器。由于CMOS摄像头输出数据格式为Bayer pattern，故需要把其转换为RGB三颜色以便于图像的显示、存储与压缩。存于SDRAM中的图像通过一个读取端口与avalon总线连接。采集芯片以25MHz的主时钟工作，输出640 480像素大小的图像数据。双端口SDRAM控制器工作于100MHz的时钟频率。

    当完成图像的采集后，NIOSⅡ处理器通过avalon总线从SDRAM中读取图像像素值并加入bmp格式头文件以bmp图片方式存储于SD卡中。每隔一个像素点读取一个像素值，把bmp以及压缩后的jpg图片大小存为320 240。在把图像从RGB转换为bmp图片的过程中，采用了自定义指令的方式缩短了转换的时间。为了便于图像以彩信的方式传输到用户手机上，采甩JPEG标准对图像进行压缩，JPEG压缩采用软件方式实现。
3．2 音频采集播放
    音频部分使用了Altera自带的IP核完成对音频芯片的配置。首先从音频芯片FIFO中读取音频信息存入SDRAM中，加入wav头文件把采集到的音频信息以wav的格式存入SD卡中，这样做的好处是方便在PC机上对音频进行操作和移植。
3．3 彩信传输
    彩信传输通过串口RS232与PTW735奎接。PTW73支持语音及彩信功能的传输，并且内嵌TCP／IP协议，支持完整的AT指令集。彩信传输流程如图5所示。

3．4 触摸屏驱动及显示
    触摸屏采用友晶公司提供的TRDB-LTM款800 400像素点24位真彩色的液晶屏。触摸屏的主要功能是完成用户与系统的交互，包括各种按键的控制、图像的显示及实时时钟的显示。触摸屏的配置基于纯硬件的方式，对触摸屏的驱动采用Altera自带的IP核。由于触摸屏的扫描
方向为右上角至左下角，因此在显示图片或字符串的时候需要进行倒像。

4 系统验证
    设计采用SOPC Builder进行用户系统的定制，定制好各个模块后在QuartusⅡ9．0下进行了综合，利用NIOSⅡ9．0IDE设计工具在DE2-70开发平台上进行了系统的测试。系统经过调试后达到了预期的目的，各项功能及其子系统能够正常地工作。基于50MHz的系统频率，综合结果该设计消耗了9915个逻辑资源。对系统功能模块或各个子模块分别进行了验证，结果如下：电子时钟模块采用硬件方式实现，其Modelsim SE 6．2b仿真结果如图6所示，完整地实现了包括年、月、日、时、分、秒的电子时钟功能。

    图像采集及压缩部分的验证结果如图7所示。其中图7(a)为系统采集并转换生成的bmp格式图片，图7(b)为系统压缩后生成的相应jpg格式图片。

5 总结
    设计基于DE2-70平台，利用Quartus II 9．0、NIOS II9．0 IDE、Modelsim SE 6．2b等设计工具，采用软硬件协同设计、自定义指令加速等设计技术，实现了声音图像采集播放等功能，并且支持用户的管理功能。设计针对家庭用户不仅实现了用户留言功能，并且具有近乎实时的留言提醒和电子钥匙等功能，具有实用价值。