基于FPGA-NIOS的多功能留言機設計

摘要：隨著(zhù)科技的進(jìn)步，人們生活中對于聯(lián)絡(luò )的需求越來(lái)越高，而傳統基于電話(huà)的留言機在沒(méi)有手機或電話(huà)的情況下具有諸多不便。針對上述需求，設計了一款應用于家庭用戶(hù)中的多功能留言機?？紤]到FPGA的諸多特點(diǎn)，采用可編程邏輯器件(FPGA)和嵌入式軟核NIOS II處理器完成系統設計。設計基于50MHz的系統時(shí)鐘，利用SOPC定制用戶(hù)系統，采用軟硬件協(xié)同設計的方案，可于2分鐘之內完成圖像的采集和JPEG壓縮，通過(guò)觸摸屏方便與用戶(hù)間的交互，支持語(yǔ)音留言、留言提示、電子鑰匙、用戶(hù)管理、電子時(shí)鐘、語(yǔ)音報時(shí)、自動(dòng)待機和屏保等功能。
關(guān)鍵詞：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；NIOSII；留言機：JPEG

0 引言
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當下人們生活中對于聯(lián)絡(luò )的需求越來(lái)越高。傳統的留言機設計功能單一，靈活性和可靠性受到一定限制。為此考慮設計一款應用于家庭用戶(hù)的多功能留言機，當來(lái)訪(fǎng)者留下信息時(shí)，主人可以在第一時(shí)間獲知，并可以回家時(shí)查看或者進(jìn)行遠程控制。FPGA由于其具有靈活的可配置性、成本低、速度快、體積小和擁有豐富的寄存器資源等特點(diǎn)而獲得了廣泛的應用。Altera公司為用戶(hù)提供了創(chuàng )新的SOPC設計理念，其系統設計工具SOPC Builder，集成內嵌的NIOSII處理器，方便用戶(hù)根據應用需求對NIOSII進(jìn)行裁剪、定制。本設計采用基于FPGA的SOPC系統，充分利用軟件設計的靈活性和硬件設計的高效性，具有以下功能：
(1)留言提示：按下采集鍵時(shí)，可采集來(lái)訪(fǎng)者的圖像和語(yǔ)音留言，并把圖片以彩信的方式發(fā)送。
(2)時(shí)鐘及手機號設定。
(3)用戶(hù)管理。
(4)備忘留言。
(5)真人語(yǔ)音報時(shí)。
(6)自動(dòng)待機及屏保。
(7)Windows兼容的存儲文件格式。

1 系統設計概述
系統分為語(yǔ)音采集存儲播放、圖像采集存儲、圖像壓縮、彩信傳輸、觸摸屏驅動(dòng)及顯示等幾大部分。整體系統在架構上又可以分為軟件及硬件設計兩大部分。系統功能框圖如圖1所示。

設計基于Terasic公司的DE2—70平臺，采用Altera公司的Cyclone II系列的FPGA器件和Terasic公司提供的130萬(wàn)像素的CMOS攝像頭、800 400分辨率的觸摸屏以及PTW73型GPRS MODEM。圖像采集采用純硬件實(shí)現，以SDRAM作為緩存。NIOSII處理器從SDRAM中讀取采集到的圖像并進(jìn)行JPEG壓縮后由串口通過(guò)彩信貓發(fā)送出去。語(yǔ)音的采集存儲播放由軟件實(shí)現，使用Altera公司大學(xué)計劃的IP核完成對音頻芯片WM8731的配置。觸摸屏利用用IP核進(jìn)行圖片和字符的顯示控制。系統設計中的語(yǔ)音和圖片等信息都存放于SD卡中。對以上功能采用了如下的一些處理技術(shù)或特點(diǎn)：
(1)設計基于A(yíng)valon總線(xiàn)架構，充分利用現有的Altera公司提供的IP核資源，包括音頻芯片的配置、VGA控制顯示、存儲器的控制等，并設計添加了針對系統時(shí)鐘、采集端口、觸摸屏端口的IP核。
(2)對語(yǔ)音信息的采集和播放進(jìn)行速度上的優(yōu)化。由于CPU對SD卡的讀寫(xiě)速度較SDRAM慢，故在采集和播放音頻信息時(shí)，在SDRAM中單獨開(kāi)辟一個(gè)緩存區用以存放音頻信息。
(3)由于采集到的bmp圖像容量較大，設計中采用靜態(tài)圖像壓縮標準JPEG對圖像進(jìn)行壓縮，以便于圖片進(jìn)行彩信傳輸。
(4)彩信傳輸基于GPRS傳輸協(xié)議和AT指令集，通過(guò)RS232串口與主機進(jìn)行連接。
(5)系統中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用硬件方式實(shí)現，為CPU提供更多的時(shí)間做其他處理，提高了處理性能。
(6)系統與用戶(hù)的交互主要通過(guò)觸摸屏實(shí)現。
(7)設計中對一些耗時(shí)的部分算法進(jìn)行了自定義指令加速，在一定程度上縮短了系統的處理時(shí)間。