基于PowerPC+FPGA的音頻轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

文/柴俊 王維 陳玲 楊松

1 引言

嵌入式系統(tǒng)通常由一個或多個處理平臺組成。PowerPC是一種精簡指令集架構(gòu)的中央處理器。Powerpc處理器有廣泛的實(shí)現(xiàn)范圍。同時該處理器具有非常強(qiáng)的嵌入式表現(xiàn)，因?yàn)樗哂懈咝阅堋⒌凸?、低散熱的特點(diǎn)。

FPGA包含可編程邏輯元件的集成電路，是在PAL、GAL、CPLD等編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

本文提出一種以PowerPC為核心，F(xiàn)PGA為協(xié)處理器的音頻轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計方案。其中包括硬件設(shè)計、應(yīng)用軟件設(shè)計，以及FPGA程序設(shè)計方案。

2 整體架構(gòu)設(shè)計

本文采用FPGA+PowerPC架構(gòu)作為音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的核心，PowerPC作為主處理器，用于音頻數(shù)字信號接收、解包、命令收發(fā)以及將解完包的音頻數(shù)據(jù)傳輸給FPGA使用。PowerPC通過Local Bus總線與FPGA相連，通過映射的地址空間進(jìn)行命令與數(shù)據(jù)的交互。FPGA作為協(xié)處理器，接收來自PowerPC的相關(guān)指令和音頻數(shù)字信號，對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。FPGA處理完成之后的數(shù)據(jù)通過DAC模塊生成模擬音頻數(shù)據(jù)，如圖1。

表1：測試結(jié)果

圖3：PowerPC軟件流程

圖4：FPGA邏輯設(shè)計框圖

3 硬件電路設(shè)計

主控CPU采用freecale公司的PowerPC架構(gòu)P1020處理器，外接兩片512MB的DDR3存儲器、64MB的NorFlash以及512MB NandFlash。P1020外接3路千兆以太網(wǎng)PHY芯片（88E1111）用于音頻數(shù)據(jù)接收、命令接收以及調(diào)試。在板子上引出1路MAX3232接口用于打印調(diào)試。VPX接口與VPX底板連接。選用Xilinx公司的KINTEX-7系列芯片作為協(xié)處理器用于數(shù)據(jù)管理。FPGA芯片使用DDR3接口外擴(kuò)4片DDR3芯片，總?cè)萘繛?GB，同時使用4個PCM5102用于D/A轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

4 PowerPC軟件設(shè)計

PowerPC通過以太網(wǎng)接口與音頻信號源進(jìn)行通信，通過Localbus總線與FPGA進(jìn)行交互。

FPGA與PowerPC通信，首先需要將FPGA映射到PowerPC的地址空間中。本文使用Localbus總線，通過配置eLBC_BR2和eLBC_OR2寄存器將1M空間從FPGA映射到PowerPC地址空間中。

PowerPC通過以太網(wǎng)接收音頻數(shù)據(jù)，將收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議解包獲得音頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)。本文中的音頻模塊提供4種采樣率，根據(jù)協(xié)議將包頭信息中采樣率的字段解析后，并將其寫入FPGA在PowerPC映射空間ControlBlock中的控制采樣率寄存器?？刂泼顚懭牒螅瑢⒁纛l元數(shù)據(jù)根據(jù)包頭中的通道號寫入不同通道的DMA空間中。再配置DMA控制器的DMA_MR、DMA_SAR、DMA_SATR、DMA_DAR、DMA_DATR、DMA_BCR寄存器使DMA符合FPGA的需求，就可以寫入FPGA的數(shù)據(jù)接收地址，數(shù)據(jù)通過Localbus總線傳至FPGA中。如圖3所示。

5 FPGA邏輯設(shè)計

Xilinx公司的KINTEX-7芯片擁有豐富的外圍接口，可以用來實(shí)現(xiàn)多模塊間的復(fù)雜通信。KINTEX-7系列高容量高性能FPGA采用Verilog HDL硬件描述語言來進(jìn)行編程，能夠靈活的實(shí)現(xiàn)信號的采集及存儲、提高了程序的可移植性和可維護(hù)性。

FPGA邏輯設(shè)計按照功能模塊，可劃分為eLBC控制器模塊，F(xiàn)IFO模塊，時鐘模塊，IIS控制器模塊，F(xiàn)PGA邏輯設(shè)計框圖如圖4。

音頻數(shù)據(jù)接收過程中，音頻轉(zhuǎn)換板上的PowerPC通過網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)和指令，然后通過localbus總線傳輸給FPGA的eLBC控制模塊。eLBC控制模塊收到命令后將采樣率和通道選擇命令傳給時鐘模塊。時鐘模塊根據(jù)指令對FIFO收到的數(shù)據(jù)根據(jù)采樣率進(jìn)行采樣。

FPGA中的FIFO模塊收到PowerPC通過localbus傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)，將收到的16位音頻數(shù)據(jù)通過拼接生成32位的音頻數(shù)據(jù)。拼接之后的數(shù)據(jù)，再根據(jù)之前配置好的時鐘模塊進(jìn)行采樣按照一定的節(jié)拍寫入IIS控制器中進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。串行數(shù)據(jù)通過IIS傳到DAC模塊中生成模擬信號，最后通過VPX底板傳出。

6 試驗(yàn)測試

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了多通道多采樣率的測試，測試結(jié)果如表1所示。

7 結(jié)語

本文將PowerPC和FPGA結(jié)合的設(shè)計實(shí)現(xiàn)的音頻轉(zhuǎn)換模塊，合理利用了PowerPC控制功能和FPGA的運(yùn)算能力。經(jīng)測試表明，本音頻轉(zhuǎn)換模塊具備多通道多采樣率，靈活切換，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。