嵌入式系统/ARM技术中的基于Nios II的数字音频录放系统的设计

前言 　　SOPC( System On Programmable Chip)技术是SOC( System On Chip)技术和电子设计自动化（EDA）技术结合的产物。它可以将处理器、存储器、I/O接口、硬件协处理器和普通的用户逻辑等系统设计需要的功能模块都集成到一个FPGA 芯片里, 构建一个可编程的片上系统[1]。它还具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，具备系统可编程等功能，是一种优秀的嵌入式系统设计技术[2]。本文研究了一种基于SOPC技术的嵌入式数字音频录放系统的设计方案。系统通过在FPGA芯片上配置NiosII软核处理器和相关的接口模块来实现嵌入式系统的主要硬件结构,并结 嵌入式系统是一种高度集成的计算解决方案，常用于各种设备中，从简单的家用电器到复杂的工业设备。在本文中，我们关注的是基于SOPC（System On Programmable Chip）技术的嵌入式数字音频录放系统，该系统利用了ARM技术中的Nios II软核处理器。SOPC技术是SOC（System On Chip）与电子设计自动化（EDA）的融合，它允许开发者在一个FPGA（Field-Programmable Gate Array）芯片上构建完整的可编程片上系统。 SOPC技术的优势在于其灵活性，可以根据需求裁剪或扩展系统功能，并且可以方便地进行升级。通过在FPGA上配置Nios II处理器和相关接口模块，可以创建一个定制化的硬件平台。Nios II是一个高效、低功耗的嵌入式处理器，适用于实时和高性能应用。在本系统中，Nios II作为中央处理器，负责协调和控制其他组件的操作。 系统的关键组成部分包括音频编/解码芯片WM8731，用于进行A/D（模拟到数字）和D/A（数字到模拟）转换，以及SDRAM（Static Random-Access Memory），用于存储音频数据。此外，还有I2C（Inter-Integrated Circuit）接口用于配置WM8731，串/并和并/串转换模块用于数据格式转换，FIFO（First In First Out）缓冲区用于临时存储数据，以及DMA（Direct Memory Access）控制器用于快速无CPU干预的数据传输。 在音频录制过程中，模拟音频信号首先通过WM8731进行A/D转换，然后由FPGA内的串/并转换模块将其转换为并行数字信号。这些数据被存储在FIFO中，当达到一定量时，通过DMA从FIFO传输到SDRAM进行长期存储。在播放阶段，DMA从SDRAM读取数据，经过并/串转换再次转回串行信号，由WM8731完成D/A转换，最终产生模拟声音信号。 系统硬件设计涉及FPGA内部的Nios II处理器和接口模块，以及外部的音频编/解码芯片、存储器和控制按键。设计过程使用Altera的Quartus II开发工具和SOPC Builder，后者提供了一个图形化环境，支持Nios II配置和IP库中的接口模块选择。通过这种方式，开发者可以快速构建一个完整的嵌入式系统硬件平台。 Nios II软核处理器的配置是硬件设计的重点，它不仅处理系统的控制逻辑，还与其他模块如I2C总线控制接口、串/并转换模块等协同工作。I2C接口用于与WM8731通信，串/并和并/串转换模块则确保数据在不同设备间正确传输。 本文探讨的嵌入式数字音频录放系统利用了SOPC技术的灵活性和Nios II处理器的强大性能，实现了高效的音频数据处理。这种设计方法展示了如何在FPGA上构建一个高度定制的、功能强大的嵌入式系统，同时也突显了EDA工具在现代电子设计中的重要性。通过这样的系统，我们可以实现高质量的音频录制和回放，而且因为SOPC的可扩展性，该系统可以适应多种应用场景和未来的技术升级。