基于AX516 FPGA 开发板的音频录制与回放
硬件介绍
AX516是一款基于FPGA平台的高性能开发板，它使用赛灵思生产的 Spartan6 系列的XC6SLX16-2CSG324FPGA 作为CPU。这一系列具有众多优点：具有丰富硬件资源、具有丰富接口等。在包括：软件无线电、工控、IC验证等众多领域都有所广泛应用。
基本流程
选取FPGA开发板与外接音频模块相结合的方式，利用音频模块的音频芯片WM8731模拟信号与数字信号之间转换的功能来实现。除此之外，还用到I2C和I2S总线接口，通过它们来实现FPGA与WM8731之间的控制与数据通信。其中，I2C接口负责FPGA对WM8731的寄存器的配置，而I2S接口负责对音频数据的通信。通过DDR3读写控制、音频通信与控制、按键检测等程序来实现。
在硬件上电结束后，开始按键检测。判断有按键按下时，再次判断按键是否松开。在按键松开后开始DDR读写控制程序，然后初始化管脚配置与位宽。将时钟复位后，再配置WM8731寄存器，启动音频产生程序，发送音频数据。在另一端接收音频数据，至此结束。
硬件结构
如图
开发板主要参数
1 | 项目 参数 |
电路设计
如图
WM8731结构
如图 WM8731主要负责数字信号与模拟信号之间的转换功能。
寄存器信息
如图:在WM8731的内部有11个寄存器，通过I2C总线的方式对其内部的11个寄存器进行相应的配置，来实现对芯片的初始化以及工作时的工作状态和功能。ADC和DAC都是WM8731的内部模块，ADC是模拟数字转换器，DAC是数字模拟转换器。音频信息通过外部的麦克风输入，在WM8731中来进行数字信号与模拟信号之间的转换。控制器可以通过控制接口来对WM8731进行配置，然后在通过音频接口读写数据音频信号。
寄存器地址及功能
如下
1 | 寄存器地址 寄存器名称 相关功能 |
wm8731 FPGA引脚及功能
1 | WM8731引脚 FPGA引脚 |
开发流程
1 | 设计定义、HDL实现、功能仿真、逻辑综合、前仿真、布局布线、后仿真、静态时序分析、系统测试 |
协议
i2c
I2C（Inter Interface Circuit）全称为芯片间总线，是目前使用广泛的芯片间串行扩展总线。目前世界上采用I2C总线有两个规范，荷兰飞利浦公司和日本索尼公司，现多采用飞利浦公司I2C总线技术规范，已成为电子行业认可的总线标准。采用I2C技术单片机以及外围器件种类很多，已广泛用于各类电子产品、家用电器及通信设备中。
I2C串行总线只有两条信号线，一条是数据线SDA，另一条是时钟线SCL。SDA和SCL是双向的，I2C总线上各器件数据线都接到SDA线上，各器件时钟线均接到SCL线上。
带有I2C接口单片机可直接与I2C总线接口的各种扩展器件（如存储器、I/O芯片、A/D、D/A、键盘、显示器、日历/时钟）连接。由于I2C总线采用纯软件寻址方法，无需片选线连接，大大简化总线数量。
基本结构如图
访问
由总线规范，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节。在寻址字节后是按指定读、写的数据字节与应答位。在数据传送完成后主器件都必须发送终止信号。在起始与终止信号之间传输的数据字节数由主器件（单片机）决定
寄存器配置
如图 每个寄存器都需i2c传输3个字节。
i2s
数字音频接口四种模式 1.Right justified 2.Left justified 3.I2S 4.DSP mode
音频数据传输：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）、DACLRC（DAC采样左/右声道信号）、ADCDAT（ADC数字音频信号输出）、ADCLRC（ADC采样左/右声道信号）。
FPGA为从设备，WM8731为主设备。ADCDAT、DACDST、ADCLRC和DACLRC与位时钟BCLK同步，在每个BCLK的下降沿进行一次数据传输。BCLK、DACDAT、DACLRC、ADCLRC为WM8731的输入信号。ADCDAT为WM8731的输出信号。FPGA和WM8731的I2S的通信右对齐的时序图如下图所示：
DDR3 读写
录取的数据存放到DDR3 选择的是两个64bit用户port口，一个port口用来读取DDR3数据，另一个则用来读写数据到DDR3里
代码实现
音频部分包含一个主程序（mywav.v）和四个子程序，四个子程序分别是音频接收程序（sinwave_store.v），音频播放程序（sinwave_gen.v），WM8731寄存器配置程序（reg_config.v）和复位延迟程序（reset_delay.v）。另外寄存器配置程序（reg_config.v）还调用了iic的通信程序i2c_com.v。
主程序
在硬件上电结束后，开始按键检测。判断有按键按下时，再次判断按键是否松开。在按键松开后开始ddr读写控制程序，后初始化管脚配置与位宽。将时钟复位后，配置WM8731寄存器，启动音频产生程序，发送音频数据。在另一端接收音频数据，至此，主程序结束。
示例代码
在按键检测程序和ddr读写控制程序执行后，主程序首先分配管脚与位宽。在此之后依次调用各个模块功能
音频接收
编写音频接收程序：sinwave_store.v，程序通过判断bclk输入时钟的上升沿来采样音频adcdat输入的数据，串行转化为64bit的并行数据并产生一个DDR3数据写请求信号
- 流程
在初始化变量结束后，程序首先检测是否有bclk、dacclk信号的跳变；在检测到时钟信号跳变后，采集ADC数据。当blc时钟处于下降沿时，开始采集数据。之后产生ddr写信号，在判断满足输出条件后输出接收结果。
- 代码
首先初始化变量，之后检测对应时钟信号是否跳变。确认有信号跳变后采集对应ADC数据。在开始采集前，判断时钟信号处于下降沿，之后产生ddr读写控制信号，在满足输出结果后输出音频接收结果。
音频播放
- 流程
频播放程序流程与音频接收程序流程类似。在初始化变量后，检测dacclk、bclk时钟信号是否跳变。再确认跳变后，检测时钟处于下降沿时开始播放音频数据，随后产生ddr读信号。在判断播放完成后结束流程。
- 代码
在初始化变量和配置管脚和位宽后，检测dacclk、bclk时钟是否跳变，在确认时钟跳变后开始播放声音数据，首先判断dacclk时钟是否处于下降沿，处于下降沿后播放数据。同时产生ddr读信号，在判断播放完成后程序结束。
寄存器配置
- 流程
在初始化变量后，程序开始产生i2c控制时钟，之后进行寄存器i2c配置过程控制。在此之后判断是否复位，在确认复位后开始i2c传输数据，之后判断是否接收到i2c应答信号，如果收到，则继续下一个寄存器配置，否则配置WM8731寄存器赋值。至此流程结束。
- 代码
在初始化变量后配置位宽和管脚，之后产生频率为20khz的i2c控制时钟；之后进行寄存器IIC配置过程控制；判断复位后，开始数据传输，如果收到i2c应答信号，则继续下个寄存器配置，否则发送结束。开始WM8731寄存器赋值。
I2C通信
- 流程
在配置变量后引脚后，首先i2c处于空闲状态，在判断输入信号处于低电平后，开始数据传输，在接受到应答信号后，开始下次传输，在判断传输结束后，流程结束。
- 代码
在判断处于低电平后，开始数据传输，接收到应答信号后，开始下次数据传输，直至数据传输结束。
复位延迟
当始终处于上升沿是判断cnt是否满足条件，满足指定条件后，使得cnt自增。不满足时进行复位操作，以此达到复位时延操作。
按键检测
- 流程
初始化变量结束后，判断按键是否按下，如果按键按下ddr写地址复位，开始计数。在判断超过抖动时间后，开始录音。判断按键是否松开，按键松开后ddr读地址开始计数，超过抖动时间后，录音结束。按键检测程序流程结束。
- 代码
第一部分检测按键是否按下，第二部分检测按键是否松开。最后执行相应操作。
顶层模块
- 流程
依次调用：WM8731驱动程序、按键检测程序、DDR读写控制程序。
- 代码
效果
如图
编译与操作
在音频模块上有三个不同颜色的音频连接器，蓝色的接口是音频输入接口；粉色的接口是麦克风的输入接口；绿色的接口则为麦克风的输出接口。
在连接过程中，我们需要注意的是不要将插头与接口插错，耳机的粉色插头要插到音频模块的粉色接口上，耳机的绿色插头则要插到音频模块的绿色接口上。
编译工程生成文件，然后再用Impact 工具下载生成的文件到FPGA里，这样就完成了我们FPGA版的录音机了。
想要实现录音与播放功能很简单，就像在微信发语音一样，按住录音键说话，说完话后再松开录音就可以了。我们需要按住开发板上的KEY1键，对着耳机的麦克风说上一段话，然后释放KEY1键，之后我们就能在耳机中听到我们自己说的话了，非常简单，方便快捷。
See
- 黑金AX516开发板用户手册
