讓我們看一下I2S規范，并嘗試用FPGA播放音頻文件。

開篇第一步

Inter-IC Sound Interface（簡稱I2S）是由飛利浦公司開發，用于通過不同IC之間的串行接口（例如從處理器到DAC）傳輸數字音頻數據。該接口使用以下信號進行數據傳輸：

SCK （串行時鐘）——用于數據傳輸的時鐘。

SD （串行數據）- 每個數據字的各個位通過該線傳輸。

WS （字選擇）- 定義傳輸數據字的長度。它用于標記右或左音頻通道。

僅音頻數據通過 I2S 傳輸。附加數據（例如各個總線用戶的配置）通過其他接口傳輸。數據傳輸總是在兩個總線之間沿一個方向進行，其中一路總線必須充當主機并負責生成時鐘信號。在由多個發送器和接收器組成的復雜系統中，時鐘信號由外部總線主控器生成，并且相應的發送器生成數據。

所有數據均以二進制補碼和 MSB 優先的方式傳輸。如果接收方和發送方的字寬存在正差（即一方的字寬小于另一方的字寬），則剩余位填充0。根據規范，數據可以同步于正時鐘沿或負時鐘沿，從而數據總是在負時鐘沿讀入。

WS信號選擇活動通道，并將低或高相位內的所有數據分配給相應的通道：

WS = 0 – 通道 1（左）

WS = 1 – 通道 2（右）

?WS信號必須在下一個數據字的 MSB 之前的一個時鐘周期發生變化，以便接收器可以將數據讀入正確的通道。WS信號的時鐘頻率通常對應于音頻信號的采樣頻率。

在這篇文章中，展示如何設計一個簡單的 I2S 發射器，并使用 CS4344 立體聲 D/A 轉換器通過揚聲器輸出恒定的聲音。

要輸出的聲音將存儲在 FPGA 的block memory中，并由發送器讀出，并將數據發送到 D/A 轉換器。整個項目分為三個部分，將逐步討論：

集成系統時鐘和I2S模塊的Top設計

集成ROM和I2S發送器的I2S模塊

I2S發送器

I2S發送器

設計的最底層應該是 I2S 發送器，其任務是通過 I2S 接口發送各個數據字。

該框圖產生了以下發送器：

entityI2S_Transmitteris
Generic(WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
Ready:outSTD_LOGIC;
Tx:inSTD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0);
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endI2S_Transmitter;

數據字的大小通過WIDTH參數定義。

三級狀態機控制發送器，描述如下：

architectureI2S_Transmitter_ArchofI2S_Transmitteris

typeState_tis(State_Reset,State_LoadWord,State_TransmitWord);

signalCurrentState:State_t:=State_Reset;

signalTx_Int:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0');
signalReady_Int:STD_LOGIC:='0';
signalLRCLK_Int:STD_LOGIC:='1';
signalSD_Int:STD_LOGIC:='0';
signalEnable:STD_LOGIC:='0';

begin

process
variableBitCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilfalling_edge(Clock);

caseCurrentStateis
whenState_Reset=>
Ready_Int<=?'0';
????????????????LRCLK_Int?<=?'1';
????????????????Enable?<=?'1';
????????????????SD_Int?<=?'0';
????????????????Tx_Int?<=?(others?=>'0');
CurrentState<=?State_LoadWord;
????????????when?State_LoadWord?=>
BitCounter:=0;
Tx_Int<=?Tx;
????????????????LRCLK_Int?<=?'0';
????????????????CurrentState?<=?State_TransmitWord;
????????????when?State_TransmitWord?=>
BitCounter:=BitCounter+1;
if(BitCounter>(WIDTH-1))then
LRCLK_Int<=?'1';
????????????????end?if;
????????????????if(BitCounter?

	

	復位期間，輸出信號被置位，SCLK時鐘被停用。復位后，機器從State_Reset狀態變為State_TransmitWord狀態。在此狀態下，機器Tx_Int通過 I2S 接口傳輸緩沖區的內容。

	一旦開始傳輸最后一個數據位，Ready就設置為表示傳輸結束并準備好接受新數據。然后機器更改為 stateState_LoadWord狀態，其中發送緩沖區填充有新的數據字并開始新的傳輸。

	I2S模塊

	I2S 模塊使用 I2S 發送器將數據從 ROM 傳輸到 D/A 轉換器。

	

	具有以下代碼：

	
entityI2Sis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(MCLK:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endI2S;


	

	參數RATIO 定義了SCLK與MCLK WIDTH的比率以及每個通道的數據字的寬度。

	除了 I2S 發送器之外，該模塊還使用 ROM，該 ROM 可以通過block memory生成器創建并填充數據。兩者都可以使用 Vivado 的 IP 來完成。

	

	最后，通過其他選項使用正弦信號 coe 文件（參見附件）對 ROM 進行初始化。

	I2S 模塊使用狀態機從 ROM 讀取數據并將其傳輸到 I2S 發送器。

	
architectureI2S_ArchofI2Sis

typeState_tis(State_Reset,State_WaitForReady,State_IncreaseAddress,State_WaitForStart);

signalCurrentState:State_t:=State_Reset;

signalTx:STD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0):=(others=>'0');
signalROM_Data:STD_LOGIC_VECTOR((WIDTH-1)downto0):=(others=>'0');
signalROM_Address:STD_LOGIC_VECTOR(6downto0):=(others=>'0');

signalReady:STD_LOGIC;
signalSCLK_Int:STD_LOGIC:='0';

componentI2S_Transmitteris
Generic(WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
Ready:outSTD_LOGIC;
Tx:inSTD_LOGIC_VECTOR(((2*WIDTH)-1)downto0);
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endcomponent;

componentSineROMis
Port(Address:inSTD_LOGIC_VECTOR(6downto0);
Clock:inSTD_LOGIC;
DataOut:outSTD_LOGIC_VECTOR(15downto0)
);
endcomponentSineROM;

begin

Transmitter:I2S_Transmittergenericmap(WIDTH=>WIDTH
)
portmap(Clock=>SCLK_Int,
nReset=>nReset,
Ready=>Ready,
Tx=>Tx,
LRCLK=>LRCLK,
SCLK=>SCLK,
SD=>SD
);

ROM:SineROMportmap(Clock=>MCLK,
Address=>ROM_Address,
DataOut=>ROM_Data
);

process
variableCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilrising_edge(MCLK);
if(Counter
WordCounter:=0;
CurrentState<=?State_WaitForReady;
????????????when?State_WaitForReady?=>
if(Ready='1')then
CurrentState<=?State_WaitForStart;
????????????????else
????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForReady;
????????????????end?if;
????????????when?State_WaitForStart?=>
ROM_Address<=?STD_LOGIC_VECTOR(to_unsigned(WordCounter,?ROM_Address'length));
????????????????Tx?<=?x"0000"?&?ROM_Data;
????????????????if(Ready?=?'0')?then
????????????????????CurrentState?<=?State_IncreaseAddress;
????????????????else
????????????????????CurrentState?<=?State_WaitForStart;
????????????????end?if;
????????????when?State_IncreaseAddress?=>
if(WordCounter

	

	第一個過程用于從MCLK生成發送器所需的時鐘信號SCLK 。

	
process
variableCounter:INTEGER:=0;
begin
waituntilrising_edge(MCLK);
if(Counter

	

	第二個進程負責狀態機的處理。離開State_Reset狀態后，機器在該State_WaitForReady狀態下等待，直到發送器發出就緒信號Ready 。??

	一旦發送器準備就緒，機器就會更改State_WaitForStart狀態。在此狀態下，從 ROM 讀取當前數據字并將其傳輸到發送器。

	PS:此處顯示的 ROM 僅包含一個通道的信息。第二個通道的數據需進行擴展。

	一旦發送器清除就緒信號并開始發送數據，狀態機就會更改為State_IncreaseAddress狀態。該狀態下ROM地址加1，然后切換回State_WaitForReady狀態

	top模塊

	最后一個組件是頂層設計，包括 I2S 模塊和時鐘PLL。

	本示例使用以下參數來控制 CS4344：

	MCLK：12.288MHz

	SCLK：1.536 MHz

	LRCLK：48kHz

	比率：8

	寬度：16

	時鐘PLL生成 12.288 MHz 時鐘，并與之前代碼中完成的 I2S 模塊一起實例化。

	

	
entityTopis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(Clock:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
MCLK:outSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC;
LED:outSTD_LOGIC_VECTOR(3downto0)
);
endTop;

architectureTop_ArchofTopis

signalnSystemReset:STD_LOGIC:='0';
signalMCLK_DCM:STD_LOGIC:='0';
signalLocked:STD_LOGIC:='0';

componentI2Sis
Generic(RATIO:INTEGER:=8;
WIDTH:INTEGER:=16
);
Port(MCLK:inSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC;
LRCLK:outSTD_LOGIC;
SCLK:outSTD_LOGIC;
SD:outSTD_LOGIC
);
endcomponent;

componentAudioClockis
Port(ClockIn:inSTD_LOGIC;
Locked:outSTD_LOGIC;
MCLK:outSTD_LOGIC;
nReset:inSTD_LOGIC
);
endcomponent;

begin

InputClock:AudioClockportmap(ClockIn=>Clock,
nReset=>nReset,
MCLK=>MCLK_DCM,
Locked=>Locked
);

I2S_Module:I2Sgenericmap(RATIO=>RATIO,
WIDTH=>WIDTH
)
portmap(MCLK=>MCLK_DCM,
nReset=>nSystemReset,
LRCLK=>LRCLK,
SCLK=>SCLK,
SD=>SD
);

nSystemReset<=?nReset?and?Locked;
????LED(0)?<=?nReset;
????LED(1)?<=?Locked;
????LED(2)?<=?nSystemReset;
????MCLK?<=?MCLK_DCM;

end?Top_Arch;


	

	最后就可以進行測試。理想情況下，D/A 轉換器輸出 480 Hz 正弦信號。因為來自 ROM 的信號模式的長度為 100 個樣本，采樣頻率為 48 kHz。可以用示波器檢查總線和信號：

	

	此外，還可以檢查音頻信號（示波器的 FFT 功能是實現此目的的最佳工具）。

	

	附件-Coe

	
memory_initialization_radix=16;
memory_initialization_vector=
0000,
0809,
100A,
17FB,
1FD4,
278D,
2F1E,
367F,
3DA9,
4495,
4B3B,
5196,
579E,
5D4E,
629F,
678D,
6C12,
7029,
73D0,
7701,
79BB,
7BF9,
7DBA,
7EFC,
7FBE,
7FFF,
7FBE,
7EFC,
7DBA,
7BF9,
79BB,
7701,
73D0,
7029,
6C12,
678D,
629F,
5D4E,
579E,
5196,
4B3B,
4495,
3DA9,
367F,
2F1E,
278D,
1FD4,
17FB,
100A,
0809,
0000,
F7F7,
EFF6,
E805,
E02C,
D873,
D0E2,
C981,
C257,
BB6B,
B4C5,
AE6A,
A862,
A2B2,
9D61,
9873,
93EE,
8FD7,
8C30,
88FF,
8645,
8407,
8246,
8104,
8042,
8001,
8042,
8104,
8246,
8407,
8645,
88FF,
8C30,
8FD7,
93EE,
9873,
9D61,
A2B2,
A862,
AE6A,
B4C5,
BB6B,
C257,
C981,
D0E2,
D873,
E02C,
E805,
EFF6,
F7F7,


	

	下一篇文章，將向 I2S 發送器添加 AXI-Stream 接口，并將其與 ZYNQ 的處理系統連接，播放 SD 卡中的音頻文件。

	審核編輯：湯梓紅