引 言

　　AD1836是ADI公司新推出的一款高性能的單片聲碼器，適用于數(shù)字音頻系統(tǒng)。它采用5V供電，數(shù)字接口輸入輸出電平為L(zhǎng)VTTL電平，可以直接和一般的FPGA連接。

　　AD1836集成了3路立體的D/A和兩路立體的A/D，參考電壓為2.25V，為了降低信號(hào)的干擾，模擬信號(hào)的輸入輸出均采用差分的形式，輸入輸出模擬信號(hào)的最大峰峰值為5.6V。系統(tǒng)時(shí)鐘為12.288MHz，數(shù)據(jù)采樣率最高為96kHz，采樣位數(shù)最高為24位，可以通過SPI口方便地對(duì)內(nèi)部功能寄存器進(jìn)行配置，從而選擇相應(yīng)的功能，例如：時(shí)鐘、工作模式、采樣率、采樣位數(shù)、工作A/D和D/A的路數(shù)等選擇。其中A/D和D/A的數(shù)字接口可以配置為I2S接口模式，本文主要以AD1836中的D/A為例介紹I2S接口的設(shè)計(jì)。

　　I2S總線協(xié)議簡(jiǎn)介

　　I2S(Inter IC Sound Bus)是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，它既規(guī)定了硬件接口規(guī)范，也規(guī)定了數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的格式。I2S有三個(gè)主要的信號(hào)：

　　(1)串行時(shí)鐘BCLK，也叫位時(shí)鐘，即對(duì)應(yīng)于數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，BCLK都有一個(gè)脈沖。BCLK的頻率=2×采樣率×采樣位數(shù)。

　　(2)幀時(shí)鐘LRCLK，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)。LRCLK為“1”表示正在傳輸?shù)氖怯衣暤赖臄?shù)據(jù)，為“0”則表示正在傳輸?shù)氖亲舐暤赖臄?shù)據(jù)。LRCLK的頻率等于采樣頻率。

　　(3)串行數(shù)據(jù)SDATA，就是用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。

　　有時(shí)為了使系統(tǒng)能夠更好的同步，還需要另外傳輸一個(gè)信號(hào)MCLK，稱為主時(shí)鐘，也叫系統(tǒng)時(shí)鐘，是采樣頻率的256倍或384倍。典型的I2S接口時(shí)序如圖1所示，對(duì)于系統(tǒng)而言，產(chǎn)生BCLK和LRCLK信號(hào)的信號(hào)端是主設(shè)備。I2S的數(shù)據(jù)線用于串行數(shù)據(jù)，當(dāng)LRCLK變化(也就是左右通道的數(shù)據(jù)切換)，在第二個(gè)BLCK處數(shù)據(jù)開始，按照高位在先低位在后的順序進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)在BCLK的下降沿改變，在BCLK的上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣。因此，在BCLK的上升沿處數(shù)據(jù)必須是穩(wěn)定的，接收端和發(fā)送端處理的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)可以不同：如果接收端可處理的有效數(shù)據(jù)的位數(shù)多于發(fā)送端，將不足的數(shù)據(jù)位用0補(bǔ)足;反之，則將多余的數(shù)據(jù)位舍棄。

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　　I2S接口硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用Altera公司的Stratix系列的FPGA，EP1S10672I7來實(shí)現(xiàn)AD1836中D/A的I2S接口設(shè)計(jì)。該芯片內(nèi)核電壓為1.5V，I/O電壓為3.3V，符合AD1836數(shù)字接口輸入輸出電平要求，其中D/A部分的I2S接口硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

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　　本設(shè)計(jì)中，將AD1836采樣時(shí)鐘設(shè)置為48kHz，采樣位數(shù)為24位。從AD1836數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，其系統(tǒng)時(shí)鐘(MCLK)為12.288MHz，左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘(LRCLK)等于采樣時(shí)鐘(48kHz)，數(shù)據(jù)位時(shí)鐘(DBCLK)為64×左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘(3.072MHz)。所以串行數(shù)據(jù)線上傳輸?shù)氖?4位的有效數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)位時(shí)鐘周期對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為0，串行數(shù)據(jù)線DSDATA1、DSDATA2、DSDATA3分別對(duì)應(yīng)于三路的立體D/A，所有的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線均經(jīng)過下拉電阻后與FPGA的I/O相連。

　　基于FPGA的實(shí)現(xiàn)

　　邏輯模塊設(shè)計(jì)

　　FPGA內(nèi)部邏輯模塊主要包括分頻模塊和D_A接口模塊，如圖3所示。其中分頻模塊將AD1836的系統(tǒng)時(shí)鐘12.288MHz分頻為3.072MHz(即位時(shí)鐘BCLK);start信號(hào)為模塊使能信號(hào)，為高時(shí)，D_A接口模塊將從DATIN引腳輸入的24位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，從Datout引腳輸出;當(dāng)左右通道時(shí)鐘切換時(shí)，輸入的24位并行數(shù)據(jù)也相應(yīng)改變，同時(shí)從LRclk引腳輸出48kHz的左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘，從Bclk引腳輸出3.072MHz的位時(shí)鐘信號(hào)。LRclk和Bclk都是在AD1836的系統(tǒng)時(shí)鐘(MCLK)的基礎(chǔ)上分頻得到的，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的同步性。

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　　軟件設(shè)計(jì)

　　所有軟件的設(shè)計(jì)是在QuartusⅡ 6.0中采用Verilog HDL語言輸入完成的，系統(tǒng)采用10MHz的有源晶振，通過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)進(jìn)行二級(jí)倍頻從而得到12.288MHz的時(shí)鐘信號(hào)，然后通過clkin_12_288M引腳送入分頻模塊。主要的程序如下：

　　分頻模塊

　　Module freq3_027M(clkin12_288M, clkout3_027M);

　　input clkin12_288M; //時(shí)鐘輸入引腳

　　output clkout3_027M; //時(shí)鐘輸出引腳

　　reg clkout3_027M; //分頻計(jì)數(shù)器

　　integer cunt;

　　always@( posedge clkin12_288M) begin

　　cunt=cunt+1;

　　if (cunt<=1)

　　begin clkout3_027M=1'b0;end

　　else if((cunt<=3)&&(cunt>=2))

　　begin clkout3_027M=1'b1;end

　　else

　　begin cunt=0;clkout3_027M=1'b0;end

　　end

　　endmodule

　　D_A接口模塊

　　(1)左右通道切換時(shí)鐘和數(shù)據(jù)位時(shí)鐘

　　assign LRCLKout = LR_f; //左右通道切換時(shí)鐘

　　assign BCLKout =(BCLK_f)?BCLKin:1'b1; //數(shù)據(jù)位時(shí)鐘

　　(2)時(shí)鐘輸出和數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換

　　always@( negedge BCLKin) begin

　　if(start) begin //使能信號(hào)為高

　　cunt=cunt+1;

　　case (cunt)

　　1: begin LR_f=~LR_f; //左右通道時(shí)鐘

　　BCLK_f=1'b1;end //送出位數(shù)據(jù)時(shí)鐘

　　2: datout=DDSdatin[23];//送出最高位

　　3: datout=DDSdatin[22]; //送出次高位

　　4: datout=DDSdatin[21];

　　5: datout=DDSdatin[20];

　　6: datout=DDSdatin[19];

　　7: datout=DDSdatin[18];

　　8: datout=DDSdatin[17];

　　9: datout=DDSdatin[16];

　　10: datout=DDSdatin[15];

　　11: datout=DDSdatin[14];

　　12: datout=DDSdatin[13];

　　13: datout=DDSdatin[12];

　　14: datout=DDSdatin[11];

　　15: datout=DDSdatin[10];

　　16: datout=DDSdatin[9];

　　17: datout=DDSdatin[8];

　　18: datout=DDSdatin[7];

　　19: datout=DDSdatin[6];

　　20: datout=DDSdatin[5];

　　21: datout=DDSdatin[4];

　　22: datout=DDSdatin[3];

　　23: datout=DDSdatin[2];

　　24: datout=DDSdatin[1];

　　25: datout=DDSdatin[0]; //數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完畢

　　26: datout=0; //剩余的數(shù)據(jù)送0

　　27: datout=0;

　　28: datout=0;

　　29: datout=0;

　　30: datout=0;

　　31: datout=0;

　　32: datout=0;

　　default:datout=1'bz;

　　endcase

　　end

　　軟件仿真

　　模塊的仿真也是在軟件QuartusⅡ6.0中實(shí)現(xiàn)的，仿真波形如圖4所示。為了便于仿真，在24位的并行數(shù)據(jù)輸入口輸入十六進(jìn)制的常數(shù)AB15F7H，此時(shí)送入左右通道的數(shù)據(jù)是相同的。從仿真波形中可以看出，當(dāng)start信號(hào)高有效后，位數(shù)據(jù)時(shí)鐘和左右通道數(shù)據(jù)切換時(shí)鐘送出，將并行的24位數(shù)據(jù)AB15F7H從數(shù)據(jù)線上串行送出，在多余的位數(shù)據(jù)時(shí)鐘處數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為0，仿真結(jié)果與I2S接口時(shí)序圖相符合。

　　結(jié)束語

　　本文以FPGA為控制單元，完成了AD1836中D/A部分的I2S接口設(shè)計(jì)，它在數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功運(yùn)用在某話路特性綜合測(cè)試系統(tǒng)中，性能良好。