🎤 卡拉OK机设计：混响是怎么做出来的

这一篇在干嘛？

唱卡拉OK的本质是「把你的歌声和伴奏混在一起送进耳机」。本实验用 HX4S20 开发板外接扩展板上的麦克风输入、线路输入和线路输出端口，配合 Wolfson WM8731 音频编解码芯片，做一个真正能唱歌的卡拉OK机——FPGA 只负责通过 I2C 总线配置芯片，混音由 CODEC 内部完成。

实验目的

使用 HX4S20 开发板上接扩展板麦克风输入、线路输入以及线路输出端口，组成一个卡拉OK机：麦克风歌声与 MP3 等音源的伴奏在线路输出端口混合播放，按键还能实时调节音量。

实验原理：WM8731 与 I2C 配置

Wolfson WM8731 音频编解码芯片配置为主机模式。在这种模式下，编解码芯片自己生成 AD/DA 串行位时钟（BCK）以及左/右声道时钟信号（LRCK），FPGA 不用操心音频位流的节拍。芯片与 FPGA 的连接框图如下：

图2.1

芯片的 I2C 界面用于配置音频 CODEC：采样率就是通过这个接口设定的，本设计设置为 48kHz。从线路输入的音频信号会和从麦克风输入的信号混合，然后送到线路输出端口——这就是卡拉OK混音的来源。

按下按键会通过 I2C 总线调整音频编解码芯片的增益，增益值在 10 个预定义的值间循环，相当于 0~9 级音量。

FPGA 在这个系统里是「配置者」不是「搬运工」

音频数据流在 WM8731 内部完成 ADC → 混音 → DAC，走的是芯片自己的 BCK/LRCK 节拍；FPGA 的工作只是上电时通过 I2C 把寄存器配置好（采样率、混音路径、增益），之后按键时改写增益寄存器即可。理解了这一点，你就明白为什么本实验的 Verilog 主体是一个 i2c 控制器。

I2C 一笔传输的格式

本例的 I2C 控制器一次发送 24 位数据，格式为 [SLAVE_ADDR, SUB_ADDR, DATA]，即从机地址（8 位）+ 子地址/寄存器地址（8 位）+ 数据（8 位）。I2C 协议要求：SCL 高电平期间 SDA 由高变低为起始条件；每传完 8 位，从机在第 9 个时钟拉低 SDA 表示应答（ACK）；SCL 高电平期间 SDA 由低变高为停止条件。下面的代码正是按这 33 个节拍（SD_COUNTER 0~32）一步步「演」出来的。

实验程序：i2c 控制器

模块端口声明如下：

module i2c (
CLOCK,
I2C_SCLK,   //I2C CLOCK
I2C_SDAT,   //I2C DATA
I2C_DATA,   //DATA: [SLAVE_ADDR, SUB_ADDR, DATA]
GO,         //GO transfor
END,        //END transfor
W_R,        //W_R
ACK,        //ACK
RESET,
//TEST
SD_COUNTER,
SDO
);

端口与内部寄存器定义。注意 I2C_SCLK 只在 SD_COUNTER 处于 4~30 区间时翻转（数据传输阶段才有时钟），I2C_SDAT 用三态门实现：SDO 为 1 时释放总线，为 0 时拉低：

//====================
// PORT declarations
//====================
input    CLOCK;
input    [23:0]I2C_DATA;
input    GO;
input    RESET;
input    W_R;
inout    I2C_SDAT;
output    I2C_SCLK;
output    END;
output    ACK;
//TEST
output [5:0] SD_COUNTER;
output    SDO;
reg    SDO;
reg    SCLK;
reg    END;
reg [23:0] SD;
reg [5:0] SD_COUNTER;
 
wire I2C_SCLK = SCLK | (( (SD_COUNTER >= 4) & (SD_COUNTER <= 30))? ~CLOCK :0 );
wire I2C_SDAT = SDO?1'bz:0 ;
 
reg ACK1, ACK2, ACK3;
wire ACK = ACK1 | ACK2 | ACK3;
 
//====================
// Structural coding
//====================
//====================I2C_COUNTER=

节拍计数器：GO 无效时清零，GO 有效后从 0 数到 6’b111111：

always @(negedge RESET or posedge CLOCK)
    begin
    if (!RESET)
    begin
    SD_COUNTER = 6'b111111;
    end
    else begin
    if (GO == 0)
    begin
    SD_COUNTER = 0;
    end
    else begin
    if (SD_COUNTER < 6'b111111)
    begin
    SD_COUNTER = SD_COUNTER + 1;
    end
    end
    end
end
 
//====================I2C COUNTER--------

主状态逻辑按 SD_COUNTER 分步执行：节拍 0~~2 完成复位与起始条件（SDO 拉低、SCL 拉低），节拍 3~~10 发送从机地址 8 位，节拍 12~~19 发送子地址 8 位，节拍 21~~28 发送数据 8 位，节拍 30~32 完成停止条件并置位 END：

always @(negedge RESET or posedge CLOCK)
begin
    if (!RESET)
    begin
    SCLK = 1;
    SDO = 1;
    ACK1 = 0;
    ACK2 = 0;
    ACK3 = 0;
    END = 1;
    end
    else
    case (SD_COUNTER)
    6'd0 : begin
    ACK1 = 0 ;
    ACK2 = 0 ;
    ACK3 = 0 ;
    END = 0 ;
    SDO =1 ;
    SCLK =1 ;
    end
    //================start ====================
    6'd1 : begin

SD = I2C_DATA;
SDO = 0;
end
 
6'd2 : SCLK = 0;
//=====SLAVE ADDRHALLEN
6'd3 : SDO = SD[23];
6'd4 : SDO = SD[22];
6'd5 : SDO = SD[21];
6'd6 : SDO = SD[20];
6'd7 : SDO = SD[19];
6'd8 : SDO = SD[18];
6'd9 : SDO = SD[17];
6'd10 : SDO = SD[16];
6'd11 : SDO = 1'b1;//ACK
 
//=====SUB ADDRHALLEN
6'd12 : begin
    SDO = SD[15];
    ACK1 = I2C_SDAT;
end
 
6'd13 : SDO = SD[14];
6'd14 : SDO = SD[13];
6'd15 : SDO = SD[12];
6'd16 : SDO = SD[11];
6'd17 : SDO = SD[10];
6'd18 : SDO = SD[9];
6'd19 : SDO = SD[8];
6'd20 : SDO = 1'b1;//ACK
 
//=====DATAHALLEN
6'd21 : begin
    SDO = SD[7];
    ACK2 = I2C_SDAT;
end
 
6'd22 : SDO = SD[6];
6'd23 : SDO = SD[5];
6'd24 : SDO = SD[4];
6'd25 : SDO = SD[3];
6'd26 : SDO = SD[2];
6'd27 : SDO = SD[1];
6'd28 : SDO = SD[0];
6'd29 : SDO = 1'b1;//ACK

停止条件：节拍 30 拉低 SDA 与 SCL 并记录第三个 ACK，节拍 31 先释放 SCL，节拍 32 再释放 SDA——「SCL 高时 SDA 由低到高」正是 I2C 的停止条件：

//stop
6'd30 : begin
    SDO = 1'b0;
    SCLK = 1'b0;
    ACK3 = I2C_SDAT;
    end
6'd31 : SCLK = 1'b1;
6'd32 : begin
    SDO = 1'b1;
    END = 1;
    end

endcase
end
endmodule

ACK 是在 SDO 释放总线时读回来的

代码里 ACK1/ACK2/ACK3 分别在每段 8 位数据发完后，由 SDO = 1'b1 释放总线、再采样 I2C_SDAT 得到。如果 WM8731 没有应答，ACK 会置 1，顶层逻辑据此可以判断配置是否成功。调试 I2C 「没反应」的问题时，第一时间应抓 ACK 位。

实验仿真

根据描述语言进行仿真测试，分析波形。重点观察起始条件、三段 8 位数据与 ACK 位、停止条件的时序是否符合 I2C 规范。

管脚约束

#IO 管脚约束
set_pin_assignment { aud_adcdat } { LOCATION = H16; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { aud_adclrck } { LOCATION = M16; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { aud_bclk } { LOCATION = F15; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { aud_dacdat } { LOCATION = G14; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { aud_daclrck } { LOCATION = J16; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { aud_xck } { LOCATION = E15; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { clock_50 } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { i2c_dat } { LOCATION = P11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { i2c_sclk } { LOCATION = M10; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }

set_pin_assignment { key[0] } { LOCATION = B2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { key[1] } { LOCATION = A2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { keyon } { LOCATION = A4; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8; PULLTYPE = NONE; }

音频相关引脚一共 6 根：adcdat/adclrck（录音数据与左右声道时钟）、bclk（串行位时钟）、dacdat/daclrck（放音数据与左右声道时钟）、xck（芯片系统时钟），再加上 i2c_sclk/i2c_dat 两根配置总线。

下载测试

将语音模块接插在开发板 J1 口上；
连接麦克风到开发板麦克风（MIC）输入端口（绿色插孔）；
连接音乐播放器（譬如 MP3 播放器或者电脑）到音频输入端口（粉红色插孔）；
连接耳机或者有源音箱到开发板的线路（LINE OUT）输出端口（蓝色插孔）；
下载程序之后，可以听到耳机/音箱播放的来自麦克风和音乐播放器的混合声音。KEY1 复位，按下 KEY2 调整音量，音量大小会在 0-9 级间循环。

调音量前先摘下耳机

音量在 0-9 级间循环，最高档增益较大，直接戴耳机调音量可能震伤耳朵，建议先把耳机音量或物理距离留出余量。

现象与总结

实验实现了完整的卡拉OK链路：WM8731 工作在主机模式，自己产生 BCK 与 LRCK；FPGA 通过 I2C 把采样率配置为 48kHz，并把混音路径配置为「线路输入 + 麦克风输入 → 线路输出」；按键在 10 个预定义增益间循环调节音量。这个实验的核心价值在于：让你掌握用 FPGA 实现 I2C 主机去配置外部编解码芯片的通用方法——以后遇到任何带 I2C 配置接口的芯片（摄像头、触摸屏、时钟芯片），套路完全一样。

自测

自测

WM8731 配置为主机模式后，BCK 和 LRCK 由谁产生？FPGA 在本实验中承担哪些工作？

本实验的采样率是多少？该参数通过什么接口、什么格式写入芯片？

i2c 模块一次传输发送的 24 位数据 [SLAVE_ADDR, SUB_ADDR, DATA] 各对应什么含义？

代码中 I2C 的起始条件和停止条件分别是在哪几个 SD_COUNTER 节拍完成的？为什么 wire I2C_SDAT = SDO?1'bz:0; 要用三态写法？

卡拉OK的混音是在哪里完成的？按下 KEY2 调整音量时，FPGA 实际修改的是芯片的什么参数？

description	用 WM8731 音频编解码芯片混合麦克风与线路输入，I2C 配置出卡拉OK机。
tags	移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

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