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排理屯刁
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1 逢甲大學資訊工程學系專題研究報告影音多媒體應用 - 於嵌入式系統上實作電子鋼琴 - 指導教授 : 王益文學生 : 劉鼎政 ( 四丙 ) 中華民國九十七年四月

2 摘要本專題於嵌入式系統上開發與影音相關的應用一方面熟悉嵌入式系統的開發架構, 以了解軟硬體如何協同運作 ; 一方面熟悉一些簡單的多媒體相關應用, 經由實作的過程提高對軟硬體設計的了解在實作的過程中, 有些功能並不需要全部由零開始來設計如何將現有的資源快速整合, 重新修改成我們需要的功能, 這也是嵌入式系統設計的重要理念之一關鍵詞 : 嵌入式系統電子鋼琴多媒體

3 目錄摘要目錄圖表目錄 I II III 第一章前言 1 第二章開發環境 3 第三章實作電子琴系統簡介聲波的合成 Audio Codec 簡介論結 13 第四章未來的展望 14 參考資料 15

4 圖表目錄圖一.DE2 實驗板外觀 3 圖二.SOPC Builder 部分介面圖 4 圖三. 系統基本架構 6 圖四. 波形圖 A 8 圖五. 波形圖 B 9 圖六.Left justified 模式 12 圖七.I 2 S 模式 12

5 第一章前言近年來嵌入式系統的發展, 再加上製程的幾何尺寸不斷變小, 工程師開始將一整個完整的系統放進一塊晶片中, 開始了 SOC 的時代更省電體積更小, 並且功能更為強大的產品相繼問世, 科技的發展進入新的世代一塊晶片中, 可能包括了 CPU, 以負責執行運算 ; 還有記憶體, 儲存著 CPU 要執行的程式碼以及需要運算的資料 ; 可能還有一個 DAC, 透過喇叭就能夠播出聲音而這樣的一個系統, 由軟硬體共同組成, 通常是特定應用於某個方面的功能, 所以體積小, 成本低, 並且速度快, 已成為主流的 3C 產品的開發模式這個專題的目的, 就是在了解如何於嵌入式系統上開發一個軟體硬體協同運作的系統, 並且在實作的過程式, 了解一個系統的設計過程與如何整合各個子系統我一開始熟悉嵌入式系統是使用 Altera 的 C1 實驗板, 而設計平台則是使用 Altera 開發的 Quartus 這套軟體, 藉由 SOPC Builder 的功能, 能夠快速整合不同的功能後來則因為 C1 實驗板有其容量上的限制, 所以後來改使用 DE2 這塊實驗板基本的開發過程, 大概就是先了解硬體的功能, 然後設計一個能控制

6 這些硬體的控制器, 和 CPU 一起掛在同一條 Bus 上,CPU 便能夠透過我們設計的控制器來和硬體聯絡在實作上以影像或音樂的方式呈現, 所以將會運用到 Audio DAC 或是 VGA DAC, 並且結合鍵盤或是滑鼠等硬體週邊最後決定實作出一個電子鋼琴

7 第二章開發環境硬體選用的是 AlteraA 所開發的 FPGA DE2 多媒體開發平台搭配 Altera 推出的軟體 Quartus II, 能夠快速地進行硬體的整合其中,DE2 採用的 Audio Codec 為 WM8731/L, 擁有 24-bit CD-Quality Audio CODEC with line-in, line-out, and microphone-in jacks, 具有 DAC 和 ADC WM8731/L 能夠設定多種不同的模式, 以及不同的 Word Lengths 圖一.DE2 實驗板外觀

開發所用的軟體是 Quartus II 這套軟體, 搭配 Altera Nios Development Kit, 透過 SOPC Builder 能夠快速地開發出我們需要的系統 SOPC Builder 定義了一個 Avalon Bus, 能夠將各個我們設計好的模組掛在 Avalon Bus 上, 快速整合出一個可用的系統在需要測試一個新系統的效能時, 提供很大的幫助,Quartus II

8 開發所用的軟體是 Quartus II 這套軟體, 搭配 Altera Nios Development Kit, 透過 SOPC Builder 能夠快速地開發出我們需要的系統 SOPC Builder 定義了一個 Avalon Bus, 能夠將各個我們設計好的模組掛在 Avalon Bus 上, 快速整合出一個可用的系統在需要測試一個新系統的效能時, 提供很大的幫助,Quartus II 結合 SOPC Builder 提供了很大的幫助圖二.SOPC Builder 部分介面圖如圖二所示, 代表 Avalon Bus 上掛載了一個 NIOS 的 CPU SDRAM Controller On-Chip Memory 一個 Flash Memory Controller UART 將我們設計好的硬體經由 SOPC Builder 掛在 Avalon Bus 後,SOPC Builder 將自動處理接下來的作業, 像是產生一些 Verilog 或 VHDL 碼, 並

9 且透過 Altera Nios Development Kit 的幫忙, 也會自動產生相對應的 Standard C Library, 以協助軟體的開發經由這些過程, 我們能夠簡單地透過 CPU 來控制其它的硬體周邊, 達到軟硬體協同設計的目的

10 第三章實作電子琴 3.1 系統簡介 DAC NIOS Processor PS/2 Keyboard controller Audio Controller Avalon Bus SDRAM Controller SRAM Controller 圖三. 系統基本架構進來圖三為整個系統的基本架構, 一些和主要功能無關的架構並沒有包括

11 基本來看, 當鍵盤的按鍵被按下後,Keyboard Controller 經由 Avalon Bus 向 CPU 發出中斷訊號,CPU 接收後, 判斷是哪個按鍵被按下, 再根據不同的按鍵傳給 Audio Controller 不同的訊號, 由 Audio Controller 合成適當頻率的資料後傳給 DAC 發出聲音 SDRAM 和 SRAM Controller 是 SOPC Builder 提供的, 主要用來儲存執行碼和 Data;Keyboard Controller 是參考 Altera 提供的範例, 再經過修改, 使其能掛在 Avalon Bus 的介面上, 並且加上中斷的功能整個系統中最主要的部分是 Audio Controller 的部分, 要播出的聲波就是由此處所合成

12 3.2 聲波的合成音階的頻率值大約如下 : (Hz) C: (do) D: (re) E: (mi) F: (fa) G: (so) A: 440 (la) B: (si) 以音階 C 為例, 其頻率約為若取 261Hz, 一整個波長取 16 個參照點, 欲合成類似下圖四的波形圖四. 波形圖 A

13 圖五. 波形圖 B clock 為 , 所以對音階 C 來說, 一個波長約經過 /261 個 clock, 也就是個 clock; 又如果取 16 個參照點, 那麼每個點之間約相隔 70620/16 = 4413 個 clock

14 於實作中, 每個波都取 64 個點來進行模擬, 採用的是 Look Up Table 的方式, 一部分程式碼如下 : 不同的波形會決定聲音的音色, 上述是 Look Up Table 代表的是弦樂器的音色

15 3.3 Audio Codec 簡介 Audio Codec 採用的是 Wolfson 的 WM8731/L 具有 DAC 和 ADC, 能夠播放聲音, 也可以錄音 WM8731/L 具有四種不同的 Audio Data Interface: (1) Right justified (2) Left justified (3) I 2 S (4)DSP mode 四種模式皆為 MSB First 並且支援 16bits 到 32bits 的資料, 設定模式時採用的協定是 I2C 協定每個模式最大的不同點在於 MSB 開始的時間點舉例來說,Left justified 模式的 MSB 在第一時間點開始計算, 而 I 2 S 模式的 MSB 還要再等一個 Clock

16 圖六.Left justified 模式圖七.I 2 S 模式由以上兩圖可看出不同模式之間的差異實作時, 選用的模式為 Left justified,data 長度為 16bits

17 3.4 總結雖然說, 這次以電子鋼琴為主題來進行發表, 不過在整個專題實驗的過程, 其實試過了一些其它不同的應用, 像是 Ethernet 的傳輸, 在 LCD 上 Show 點陣圖, 播放 wav 音樂檔等雖說是應用, 其實也只是試試看這個功能要如何使用而已, 只是知道如何去用這些功能, 並沒有達到一個應用的地步後來換到 DE2 上後, 許多的周邊裝置都不同了, 功能也都更為強大, 像以前的 C1 實驗板只能播音樂,DE2 的不但能播放, 還能夠錄音這個專題我認為困難的地方在不同的子系統之間要如何去互相溝通, 在這方面,clock 的同步和中斷方面的設計是很重要的, 只是這個部分要去 debug 有點困難 ; 最麻煩的情況就是, 同樣的程式碼, 但是有的時候可以執行, 有的時候有不能執行, 這大概就是硬體最好玩的地方吧聲波的合成算是我新接觸到東西, 有關於 wav 檔的播放我之前就做過, 不過那是直接把 data 按順序一直丟給 DAC, 而這次要自己去合成一個波形, 當然也不是太困難, 我在網路上有找到相關的範例和說明, 還有管樂和弦樂的資料決定音高的是頻率, 而聲波的形狀會決定音色, 所以電子琴可以模擬各種不同的樂器, 不過我只找到管樂和弦樂的另外就是, 如果要創造出合弦的效果, 將兩個波形相加就可以了, 本來想說可能沒那麼單純的

18 第四章未來的展望因為自己有在學習吉他和口琴, 所以覺得如果可以模擬這兩種樂器的音色就好了, 這方面應該可以自己實際錄下樂器的波形資料來分析再來就是讓電子琴有記憶的功能, 記下一些曲調的資料也可以再加上播放 wav 檔和 mp3 的功能

19 參考資料 1. Alera,"Using the Nios Embedded Processor, Programmable Logic, IP & SOPC Builder Tools to Construct Custom Microcontrollers Altera News & Views,pp.7-10,First Quarter Altera s Documents & Examples 3. 單晶片輸出應用 / 作者 : 蔡宗成 4. 音樂中的物理物 / 作者 : 龔鎮雄董馨

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zw.PDF 20 30 15 16 15 67 12 12 12 11 1508 4 18 4 600 343 37 9 9 12 9 30 90 1503 50 23 20 400 2.65 2 19 15 20 15 16 17 19 6 23 1642 600 350 1500 19 20 30 7 1816 1830 7 23 1830 1874 4 1874 1863 14 11 20 20 20 1905