基于FPGA的语音录制与回放系统

0 引言
随着微电子技术的发展，系统集成向高速、高集成度、低功耗发展已经成为必然，同时SoPC技术也应用而生。SoPC将软硬件集成于单个可编程逻辑器件平台，使得系统设计更加简洁灵活。SoPC综合了SoC，PLD和FPGA的优点，集成了硬核和软核CPU、OSP、存储器、外围I／O及可编程逻辑，用户可以利用SoPC平台自行设计高速、高性能的CPU和DSP处理器，使得电子系统设计进入一个崭新的模式。
该设计运用SoPC技术实现嵌入式数字化语音录制与回放。其中，介绍了在FPGA上构建WM8731的I2C总线，以及数字化语音在SRAM中的存储，并利用Matlab 7．0．4软件对所采集的语音数据进行仿真。SoPC是现在电子技术、电子系统设计的汇聚点和发展方向。充分体现了其高性能、设计灵活和易用等特点。

1 系统整体方案
系统以Altera公司的FPGA芯片(CycloneⅡ系列)EP2C35F672C6NK为平台，结合音频编／解码芯片WM8731实现语音录制与回放。该FPGA芯片具有丰富的片内资源，大量的逻辑宏单元和多个硬件乘法器，大量的自定义I／O接口，此外还有4个锁相环，为系统提供实时时钟。设计中充分利用了FPGA的高速并行和Avalon总线自定义硬件外设的优势，从而构建了一个高集成度、高性能的系统。
语音通过话筒输入，由音频编／解码芯片WM8731以8 kHz的A／D采样率转换成16位PCM码缓存。此外，为确保采集的语音数据不丢失，先将语音存储在SRAM中，再作后续处理。整体系统框架图1所示。

1．1 芯片工作原理
音频编／解码芯片WM8731上电后必须将工作模式设置在系统要求的状态下，因此上电后需要用VERILOG HDL编写程序模块对芯片的工作模式进行设置。该语音编／解码芯片有多种工作模式，A／D变换后，语音的采样频率与采样位宽都需要根据系统的具体要求，合理配置。语音芯片的配置时序为I2C模式，芯片接口为主模式，即由WM8731提供位时钟，A／D转换和D／A转换的左、右声道控制相位时钟，以及转换后的数据PCM码输送给FPGA处理器。以下为芯片配置字列表，WM8731内部控制字寄存器有16个，在芯片初始化时，在制作ROM表格中完成。相应的程序设置如下：

1. 2 配置单元模块
配置单元模块综合顶层图如图2所示。从程序编译分析报告(见图3)可以得出，该单元模块消耗了101个逻辑单元，它作为语音采集模块的一个子模块。在配置电路中，模块CLOCK_50将输入的50 MHz系统时钟分频为1 MHz，作为I2C总线模块的工作时钟，CLOCK_50模块中写出的上面程序代码是一个表格，存储了配置的控制字。I2C总线模块的I2C_SDAT和I2C_SCLK是数据线和时钟线，DE2板固定分配了专门的I2C数据线和时钟线的引脚线。