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。