基于FPGA-NIOS的多功能留言機設計

摘要：隨著科技的進步，人們生活中對于聯絡的需求越來越高，而傳統基于電話的留言機在沒有手機或電話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中的多功能留言機。考慮到FPGA的諸多特點，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的系統時鐘，利用SOPC定制用戶系統，采用軟硬件協同設計的方案，可于2分鐘之內完成圖像的采集和JPEG壓縮，通過觸摸屏方便與用戶間的交互，支持語音留言、留言提示、電子鑰匙、用戶管理、電子時鐘、語音報時、自動待機和屏保等功能。
關鍵詞：現場可編程門陣列；NIOSII；留言機：JPEG

0 引言
隨著科學技術的進步，當下人們生活中對于聯絡的需求越來越高。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的多功能留言機，當來訪者留下信息時，主人可以在第一時間獲知，并可以回家時查看或者進行遠程控制。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而獲得了廣泛的應用。Altera公司為用戶提供了創新的SOPC設計理念，其系統設計工具SOPC Builder，集成內嵌的NIOSII處理器，方便用戶根據應用需求對NIOSII進行裁剪、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，可采集來訪者的圖像和語音留言，并把圖片以彩信的方式發送。
(2)時鐘及手機號設定。
(3)用戶管理。
(4)備忘留言。
(5)真人語音報時。
(6)自動待機及屏保。
(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現，以SDRAM作為緩存。NIOSII處理器從SDRAM中讀取采集到的圖像并進行JPEG壓縮后由串口通過彩信貓發送出去。語音的采集存儲播放由軟件實現，使用Altera公司大學計劃的IP核完成對音頻芯片WM8731的配置。觸摸屏利用用IP核進行圖片和字符的顯示控制。系統設計中的語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或特點：
(1)設計基于Avalon總線架構，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鐘、采集端口、觸摸屏端口的IP核。
(2)對語音信息的采集和播放進行速度上的優化。由于CPU對SD卡的讀寫速度較SDRAM慢，故在采集和播放音頻信息時，在SDRAM中單獨開辟一個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，設計中采用靜態圖像壓縮標準JPEG對圖像進行壓縮，以便于圖片進行彩信傳輸。
(4)彩信傳輸基于GPRS傳輸協議和AT指令集，通過RS232串口與主機進行連接。
(5)系統中的實時時鐘采用硬件方式實現，為CPU提供更多的時間做其他處理，提高了處理性能。
(6)系統與用戶的交互主要通過觸摸屏實現。
(7)設計中對一些耗時的部分算法進行了自定義指令加速，在一定程度上縮短了系統的處理時間。