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2017届优秀毕业论文(三)

作者: 时间:2018-09-12 点击数:

基于FPGA的音乐频谱投影显示装置设计

电子信息工程 201311003 戈雅帅

指导教师 王耀琦(副教授)

摘要:本文主要介绍一种基于FPGA的音乐信号频谱投影显示装置。采用Altera公司的QuartusII13.0作为设计平台;Cyclone-IV系列斗牛P4C斗牛22F17C8N作为数字信号处理核心;WM8731专用音频输入输出模块作为前端A/D器件。使用VerilogVHDL语言编程实现了音频采集、频谱计算、VGA视频输出等功能。

本设计使用FPGA实现1024点的快速傅里叶变换,频谱计算精度和速度远远超过了市面上任何一款同类产品。本产品充分发挥FPGA的诸多优势,解决了目前市面上同类音乐频谱显示器精度低、用户体验差等问题。有非常好的实用性。也可应用于高校数字信号处理实验课等教学场合。

关键词:FPGAWM8731VGAFFT

1 引言

随着电子技术不断发展,FPGA技术不断普及化。其日常信号处理场合发挥着越来重要作用。本设计就是在这样的背景下提出的。使用FPGA加速FFT算法,并同时控制VGA显示器进行音乐频谱显示的显示。这样可大大提高乐曲频谱显示的实时性。

2 系统总体设计

(1) 系统总体概述

设计主要分为硬件电路设计和FPGA设计两大部分。硬件电路设计部分搭建FPGA外围硬件,并进行电平匹配。FPGA设计部分主要完成信号处理电路设计。及VGA显示电路设计。对数字系统进行了总调

(2) 硬件总体设计

硬件是软件的基础,本设计的硬件系统由WM8731音频采集模块和FPGA开发板和VGA显示器构成。WM8731负责将模拟音频信号数字化,FPGA主要完成系统逻辑控制工作。VGA显示器则接收FPGA发送的视频数据,并将波形进行显示。接口部分包含JTAG接口、VGA接口、I2C接口。整体硬件图如下:

1 系统硬件结构图

(3) FPGA设计

本系统中FPGA数字信号处理的核心,其主要完成数字信号处理的功能。通过内部的PLL对外部的时钟做一定的处理,并提供VGAWM8731模块的工作时钟;实现WM8731音频采集模块初始化和控制,WM8731芯片中读取音频采样数据;使用FPGA内部异步FIFO异步时钟域信号通信将音频采集的数据放入FPGA时钟域,供后面FFT处理;使用FPGA内部的查找表和触发器实现无符号整数开根号运算将运算结果和余数输出;生成可供显示器识别的VGA标准信号,实现频谱的视频输出显示

进行FPGA编程设计后消耗FPGA内部资源如图2所示:

2  FPGA内部资源消耗    

3 系统运行波形抓取

   (1) WM8731

WM8731模块是前端音频信号处理的核心,其运行时序图如图3所示。

3  WM8731运行波形图

3WM8731控制器的外部接口波形抓取图,从上到下的信号依次为:音频ADC数据线、音频DAC数据线、音频输入左右选取线、音频输出左右选取线、I2C接口数据线、FFT输出位置总线。最下方的正弦信号为WM8731经过数模转换后的数据。

(2)双口RAM工作波形及 FFT运算结果

4  双口RAM工作时序图

FFT模块输出的数据倒位序输出,因此需要将其转换为正序,才可正确显示波形。双口RAM模块读取和写入通道相互独立,因此可以很方便的将倒位序的数据转为正序。在写入时钟和地址线的作用下,数据按照倒位序写入双口RAM,并正序读出最上面的是读取出来的信号,其为冲击信号,即单音余弦的频谱

4 实物展示及总结

(1) 波形截取和实物展示

本节使用手机的音频信号产生软件来产生正弦波、方波和三角波,同时通过系统内部逻辑分析仪抓取系统采集的实时信号,对系统进行初步的测试。系统实物图如下:

5  系统实物

使用手机应用SignalGenerator控制手机的音频接口输出接口输出方波、三角波和正弦波。手机应用设置界面如图6所示:

6  手机信号输出

通过内部的逻辑分析仪,截取音频的采样信号,查看其进入FPGA是否失真FPGA内部采用波形如6所示

6 FPGA内部信号波形

通过系统接入VGA显示器来模拟接入投影机。系统输入音频正弦单音信号,系统对正弦单音信号方波信号的频谱显示如7所示

 

7 系统对单音余弦信号和方波信号的频谱显示效果

(2) 结论

本次毕业设计的主要内容是基于FPGA音乐频谱投影显示装置。系统可自动计算输入音频信号的频谱。系统输出VGA信号控制投影仪(液晶显示器)进行投影显示。设计理论结合实际,整体达到较好的显示效果。

调试的过程中主要使用SginalTapII嵌入式逻辑分析仪,找出系统的错误原因。设计的过程中不断提高了自己编程问题解决能力。在编写论文的过程中提高自己的文档编辑能力。设计的过程中对自己能力很大的提升。受益匪浅

参考文献

[1]  陈佩青. 数字信号处理教程(第二版). 北京:清华大学出版社,2001.

[2]  刘泉. 阙大顺. 数字信号处理的原理及实现. 北京:电子工业出版社,2005.

[3]  张欣.  VLSI数字信号处理—设计与实现. 北京:科学出版社,2003.

[4]  李秋云,王佳. VerilogHDL设计实践与指导. 北京:机械工业出版社,2005.

[5]  薛年喜. MATLAB在数字信号处理中的应用. 北京:清华大学出版社,2003.

Design of musical spectrum projection display based on FPGA

斗牛lectronic and Information 斗牛ngineering 201311003 Ge Yashuai

Instructor Wang Yao-qi (Associate professor)

Abstract: This paper mainly introduces a FPGA based spectral projection display device for musical signals. Using Altera's QuartusII13.0 as the design platform, CycloneIV series 斗牛P4C斗牛22F17C8N as the core of digital signal processing; WM8731 dedicated audio input and output module as the front-end A/D device. Using Verilog and VHDL language programming, audio acquisition, spectrum calculation, VGA video output and other functions are realized.

This design uses FPGA to realize the FFT of 1024 points, the precision and speed of spectrum calculation is far more than any similar product at present. This product gives full play of many advantages of FPGA, solve the current similar music spectrum display accuracy is low, poor user experience and so on. It has very good practicability. It can also be applied to the teaching of digital signal processing and experimental courses in universities.

Keywords: FPGAWM8731VGAFFT

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