0 引言
隨著微電子技術的發展，系統集成向高速、高集成度、低功耗發展已經成為必然，同時SoPC技術也應用而生。SoPC將軟硬件集成于單個可編程邏輯器件平臺，使得系統設計更加簡潔靈活。SoPC綜合了SoC，PLD和FPGA的優點，集成了硬核和軟核CPU、OSP、存儲器、外圍I／O及可編程邏輯，用戶可以利用SoPC平臺自行設計高速、高性能的CPU和DSP處理器，使得電子系統設計進入一個嶄新的模式。
該設計運用SoPC技術實現嵌入式數字化語音錄制與回放。其中，介紹了在FPGA上構建WM8731的I2C總線，以及數字化語音在SRAM中的存儲，并利用Matlab 7．0．4軟件對所采集的語音數據進行仿真。SoPC是現在電子技術、電子系統設計的匯聚點和發展方向。充分體現了其高性能、設計靈活和易用等特點。
1 系統整體方案
系統以Altera公司的FPGA芯片(CycloneⅡ系列)EP2C35F672C6NK為平臺，結合音頻編／解碼芯片WM8731 實現語音錄制與回放。該FPGA芯片具有豐富的片內資源，大量的邏輯宏單元和多個硬件乘法器，大量的自定義I／O接口，此外還有4個鎖相環，為系統提供實時時鐘。設計中充分利用了FPGA的高速并行和Avalon總線自定義硬件外設的優勢，從而構建了一個高集成度、高性能的系統。
語音通過話筒輸入，由音頻編／解碼芯片WM8731以8 kHz的A／D采樣率轉換成16位PCM碼緩存。此外，為確保采集的語音數據不丟失，先將語音存儲在SRAM中，再作后續處理。整體系統框架圖1所示。
1．1 芯片工作原理
音頻編／解碼芯片WM8731上電后必須將工作模式設置在系統要求的狀態下，因此上電后需要用VERILOG HDL編寫程序模塊對芯片的工作模式進行設置。該語音編／解碼芯片有多種工作模式，A／D變換后，語音的采樣頻率與采樣位寬都需要根據系統的具體要求，合理配置。語音芯片的配置時序為I2C模式，芯片接口為主模式，即由WM8731提供位時鐘，A／D轉換和D／A轉換的左、右聲道控制相位時鐘，以及轉換后的數據PCM碼輸送給FPGA處理器。以下為芯片配置字列表，WM8731內部控制字寄存器有16個，在芯片初始化時，在制作ROM表格中完成。相應的程序設置如下：
1. 2 配置單元模塊
配置單元模塊綜合頂層圖如圖2所示。從程序編譯分析報告(見圖3)可以得出，該單元模塊消耗了101個邏輯單元，它作為語音采集模塊的一個子模塊。在配置電路中，模塊CLOCK_50將輸入的50 MHz系統時鐘分頻為1 MHz，作為I2C總線模塊的工作時鐘，CLOCK_50模塊中寫出的上面程序代碼是一個表格，存儲了配置的控制字。I2C總線模塊的I2C_SDAT和 I2C_SCLK是數據線和時鐘線，DE2板固定分配了專門的I2C數據線和時鐘線的引腳線。
1．3 語音采集模塊
語音采集單元頂層綜合模塊如圖4所示。系統通過語音采集模塊將語音芯片采集的聲音數據串／并轉換為16位PCM碼，聲音數據傳送至S- RAM存儲器內保存，這里設置了4 s錄音時間，用戶1次輸入3個孤立詞(如數字)，4×8 KB=32 KB，考慮到32 KB的原始數據需要預處理、FIR濾波和歸一化。斷點檢測，所有處理后的數據仍然存入后續的SRAM地址中。檢測出的孤立詞分別存入獨立首地址后面。
1．4 語音采集實時采樣
鎖相環PLL給予WM8731工作在18．4 MHz時鐘頻率下，通過I2C總線控制器設置WM8731工作在8 kHz的采樣頻率下。圖5為在嵌入式邏輯分析儀(SignalTapⅡLogic Analyzer)下語音采集控制器的采樣圖。
圖5為實時采集圖，測試人現場讀入語音數據，模塊實時進行語音采集回放。從圖中可見，左對齊語音采集過程一共有19個脈沖，其中前16個脈沖為有效語音數據提取脈沖，后3個脈沖為將來處理擴展預留。有效語音提取出來之后便存人SRAM中。該模塊通過計數器，從啟動錄音開始，自動錄制4 s的語音信號。
2 語音錄制回放仿真
經WM8731采集的語音信號轉換并存儲于SRAM，然后用SRAM中的數據將SRAM的語音數據導出，圖6為語音采集模塊處理后作者錄入的數字符號“1234”效果圖。
圖6是通過DE2控制面板軟件讀取SRAM前256 KB數據(地址：O～0x1FFFF)在Matlab軟件上畫出來的圖形，同時為了對比，通過Matlab自帶的 [y，fs，bits]=wavread(‘Blip’，[N1 N2])，進行同樣話語的錄制，用sound(x，fs，bits)對聲音進行回放，仿真結果見圖6、圖7。從仿真圖可看出，以Matlab平臺為標準，FPGA實時采集與現實吻合。
3 結語
該系統充分利用了FPGA的高速處理能力，自行設計采集模塊和I2C協議驅動模塊，并通過AWALON總線掛載在Nios軟核上，很好地實現了實時高速采集回放，充分體現了FPGA的優越性能。同時結合SoPC設計理念，使系統一片式整合。