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：

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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。

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1.3 语音采集模块
语音采集单元顶层综合模块如图4所示。系统通过语音采集模块将语音芯片采集的声音数据串／并转换为16位PCM码，声音数据传送至S- RAM存储器内保存，这里设置了4 s录音时间，用户1次输入3个孤立词(如数字)，4×8 KB=32 KB，考虑到32 KB的原始数据需要预处理、FIR滤波和归一化。断点检测，所有处理后的数据仍然存入后续的SRAM地址中。检测出的孤立词分别存入独立首地址后面。
1.4 语音采集实时采样
锁相环PLL给予WM8731工作在18.4 MHz时钟频率下，通过I2C总线控制器设置WM8731工作在8 kHz的采样频率下。图5为在嵌入式逻辑分析仪(SignalTapⅡLogic Analyzer)下语音采集控制器的采样图。

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图5为实时采集图，测试人现场读入语音数据，模块实时进行语音采集回放。从图中可见，左对齐语音采集过程一共有19个脉冲，其中前16个脉冲为有效语音数据提取脉冲，后3个脉冲为将来处理扩展预留。有效语音提取出来之后便存人SRAM中。该模块通过计数器，从启动录音开始，自动录制4 s的语音信号。

2 语音录制回放仿真
经WM8731采集的语音信号转换并存储于SRAM，然后用SRAM中的数据将SRAM的语音数据导出，图6为语音采集模块处理后作者录入的数字符号“1234”效果图。

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图6是通过DE2控制面板软件读取SRAM前256 KB数据(地址：O～0x1FFFF)在Matlab软件上画出来的图形，同时为了对比，通过Matlab自带的 [y，fs，bits]=wavread(‘Blip’，[N1 N2])，进行同样话语的录制，用sound(x，fs，bits)对声音进行回放，仿真结果见图6、图7。从仿真图可看出，以Matlab平台为标准，FPGA实时采集与现实吻合。

3 结语
该系统充分利用了FPGA的高速处理能力，自行设计采集模块和I2C协议驱动模块，并通过AWALON总线挂载在Nios软核上，很好地实现了实时高速采集回放，充分体现了FPGA的优越性能。同时结合SoPC设计理念，使系统一片式整合。