基于FPGA的音乐景观灯的设计与实现

论文摘要

随着生活水平的不断提高,城市夜景亮化现在已经成为城市文明进步的象征,是现代化城市建设中必不可少的一部分。LED作为一种色彩鲜艳的绿色光源,在国家“绿色照明”、“节能减排”的号召下得到了大力的推广,许多商家都把目光投向了LED光源。LED有着亮度高、功耗低、寿命长等特点在景观亮化照明领域中占据着领先地位,把城市建筑物,娱乐休息场所装点得五彩缤纷,惟妙惟肖。但人们在欣赏彩灯的同时似乎觉得太过于平静,缺乏那种灯光随着音乐跳动的感觉,这就为音乐景观灯的实现提供了前提。加之嵌入式系统进入了片上系统阶段（SOC）,音乐景观灯的实现也从幕后搬到了台前,但都没有能够充分发挥LED的特点。在本世纪,Altera公司推出了片上可编程（SOPC）技术,是一种基于FPGA的SOC的解决方案,是一种全新的嵌入式系统设计技术,这使得充分满足LED特性的音乐景观灯的实现成为了可能。本文基于这种技术完成了音乐景观灯的设计和实现,设计中充分利用了FPGA器件丰富的逻辑资源和可重构的灵活设计的特点,在单片的FPGA上实现整个系统的逻辑功能。本文详细介绍了基于FPGA的音乐景观灯控制系统的设计与实现,即从系统的总体设计开始入手,并从硬件设计和软件设计两大部分进行详细的说明。总体设计方面,主要介绍了系统所要实现的具体的功能和所要掌握的一些基础知识,并给出了具体实现所搭建的系统环境。在硬件详细设计方面,一方面主要是PLL模块和NiosⅡ系统模块的配置等设计,所有的模块最后在顶层模块中相互调用、连接,构建了一个SOPC系统；另一个方面是LED模块的设计,包括芯片的选择和电路的搭建。在软件详细设计方面,主要是针对NiosⅡ处理器进行编程实现各个任务的功能,在μC/OS-Ⅱ操作系统的调度下实现任务之间的通信;在这里给出了软件总体的结构框图和五个任务间信息交换过程的状态机图,从总体上给出所实现的基本功能和基本思路,之后是各个任务具体实现的详细过程。在VC++6.0开发环境中利用MFC创建了一个控制界面,界面包括MP3控制、LED控制和显示界面等,通过串口通信的方式实现上位机对音乐景观灯的控制。由于需要在上位机界面上显示操作的信息,所以涉及到了字符编码方式之间的转换；文中给出了转换的流程图和详细的转换过程,为在上位机上显示播放列表、提示信息等提供了保证。最后给出了整个系统实现的平台和结果,达到了预期的目的,具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 景观灯的国内外动态、水平
• 1.2 课题的目的、意义
• 1.3 论文结构
• 2 SOPC技术相关知识简介
• 2.1 FPGA的相关知识
• 2.1.1 FPGA基本概述
• 2.1.2 CycloneⅡ系列简介
• 2.1.3 FPGA的基本设计流程
• 2.2 SOPC技术简介
• 2.2.1 SOC技术简介
• 2.2.2 SOPC技术简介
• 2.2.3 IP核相关知识
• 2.2.4 NiosⅡ软核处理器
• 2.2.5 SOPC系统开发环境
• 3 音乐景观灯的总体设计
• 3.1 总体概述
• 3.2 PWM及相关知识概述
• 3.2.1 Avalon总线简介
• 3.2.2 PWM简介
• 3.2.3 PWM设计说明
• 3.2.4 封装PWM为SOPC Builder元件
• 3.3 MP3及相关知识概述
• 3.3.1 MP3简介
• 3.3.2 解码芯片VS1053
• 3.3.3 VS1053的驱动模式
• 3.3.4 通信接口
• 3.3.5 主要功能寄存器
• 3.3.6 正弦测试
• 3.4 μC/OS-Ⅱ操作系统概述
• 4 音乐景观灯的硬件设计与实现
• 4.1 硬件开发平台介绍
• 4.2 系统硬件总体设计
• 4.3 SOPC系统的构建
• 4.3.1 QuartusⅡ工程建立
• 4.3.2 Nios Ⅱ系统模块
• 4.3.3 定制锁相环（PLL）模块
• 4.3.4 顶层模块的设计
• 4.4 LED模块设计
• 5 音乐景观灯的软件设计与实现
• 5.1 系统软件总体设计
• 5.2 初始化任务
• 5.3 基本函数
• 5.3.1 文件列表函数
• 5.3.2 SPI总线的读写操作
• 5.3.3 VS1053基本函数
• 5.4 按键任务
• 5.4.1 邮箱通讯机理
• 5.4.2 按键任务处理
• 5.5 文件任务
• 5.5.1 SD卡简介
• 5.5.2 字符编码
• 5.5.3 信号量通讯机制
• 5.5.4 文件任务
• 5.6 播放任务
• 5.7 频谱任务
• 6 音乐景观灯的上位机控制系统设计
• 6.1 MFC创建对话框
• 6.2 串口通信
• 6.3 UTF-8toGBK
• 6.4 控件消息处理
• 7 控制系统的测试与验证
• 7.1 构建验证的环境
• 7.2 景观灯的系统测试
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 配置的软核处理器
• 攻读学位期间的研究成果