基于 FPGA 的 SD 卡音频播放与电子琴系统

一、项目概述

（可做实物一套（含代码，讲解，仿真），需要实物请联系QQ：1391074994）

本项目实现了一个基于 Intel Cyclone IV E FPGA 的 SD 卡音频播放系统，同时兼具电子琴功能。核心功能包括：

电子琴演奏：通过 10 个按键（7 音阶 + 低/中/高音切换），使用 DDS 合成正弦波，驱动 WM8978 音频芯片实时发声
SD 卡录音/回放：将弹奏的音频存入 SD 卡，支持从 SD 卡读取并回放已录制的音频
人机交互：OLED 128x32 显示屏显示当前音阶编号与音域，21 个 LED 指示当前音符频率

硬件平台

FPGA 芯片：Intel Cyclone IV E 系列
音频芯片：WM8978（I2C 配置 + I2S 数据传输）
存储介质：SD 卡（SPI 模式）
显示模块：OLED 128x32（SPI 接口）
输入设备：10 个按键

二、工程文件结构

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rtl/
├── top_audio_sd.v          # 顶层模块（系统集成）
├── top_audio_sd_tb.v       # 仿真测试平台
├── audio_sd_ctrl.v         # SD卡音频交互控制
├── data_gen.v              # 音频数据生成与FIFO中转
├── led.v                   # 21个LED指示灯控制
│
├── fifo/
│   └── async_fifo.v        # 异步FIFO（通用参数化模块）
│
├── key/
│   ├── key_debounce.v      # 按键消抖
│   ├── key_top.v           # 8按键顶层处理
│   ├── dds_sin.qip         # DDS正弦波ROM IP索引
│   └── pll_clk.qip         # PLL时钟模块IP索引
│
├── sd/
│   ├── sd_ctrl_top.v       # SD卡顶层控制
│   ├── sd_init.v           # SD卡SPI初始化
│   ├── sd_read.v           # SD卡SPI读数据
│   └── sd_write.v          # SD卡SPI写数据
│
├── wm8978/
│   ├── wm8978_ctrl.v       # WM8978总控模块
│   ├── wm8978_config.v     # WM8978配置顶层
│   ├── i2c_dri.v           # I2C驱动
│   ├── i2c_reg_cfg.v       # WM8978寄存器配置
│   ├── audio_send.v        # I2S音频发送
│   └── audio_receive.v     # I2S音频接收
│
├── wave/
│   ├── wave_ctrl.v         # 频率控制核心
│   ├── da_wave_send.v      # DDS正弦波发生器
│   ├── time_send.v         # 时序控制/回放调度
│   └── sd_wr_ctrl.v        # SD卡读写测试控制
│
└── oled/
    └── OLED12832.v         # OLED 128x32 显示驱动

三、顶层模块架构

`top_audio_sd`（顶层集成模块）

参数：

参数	值	说明
`sim`	0/1	仿真模式开关（1 = 仿真）
`START_ADDR`	8256	SD 卡起始扇区地址
`AUDIO_SEC`	79076	录音最大扇区数

时钟域：

时钟	频率	用途
`clk`	50MHz	系统主时钟
`pll_clk_sd`	25MHz	SD 卡 SPI 时钟
`pll_clk_aud`	12.288MHz	WM8978 主时钟（MCLK）
`aud_bclk`	~3.072MHz	I2S 位时钟（WM8978 MASTER 模式）

子模块连接图：

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                          ┌─────────────────────────┐
                          │        top_audio_sd      │
                          │                          │
  key_in[3:0] ──────────►│  key_top (功能键)         │
  key_in[9:4] ──────────►│  key_top (7音阶键)        │
  key_in[15:10] ────────►│  key_top (音域键)         │
                          │                          │
                          │  wave_ctrl ──► da_wave_send ──┤
                          │      │                        │
                          │      ▼                        ▼
                          │   fre_show ────► OLED12832   dac_data ──► wm8978_ctrl
                          │   fre_show ────► led           │
                          │                  │            │
                          │  time_send      data_gen      │
                          │  (回放调度) ◄──► (FIFO中转)    │
                          │      │            │           │
                          │      ▼            ▼           │
                          │   sd_ctrl_top ──── SD卡        │
                          │  (SPI读写)                     │
                          └─────────────────────────┘

四、子系统详细说明

4.1 时钟系统

系统时钟 clk = 50MHz（由板载晶振提供）
通过 PLL （pll_clk 模块）产生：
- pll_clk_sd = 25MHz：供 SD 卡 SPI 控制器使用
- pll_clk_aud = 12.288MHz：WM8978 的 MCLK 主时钟
WM8978 工作在 MASTER 模式 ，产生 aud_bclk 和 aud_lrc 信号

4.2 SD 卡子系统

模块层次 ：sd_ctrl_top → sd_init / sd_write / sd_read

`sd_ctrl_top` --- SD 卡顶层控制器

根据 sd_init_done、wr_busy、rd_busy 选择对应子模块的接口信号
优先顺序：初始化 > 写 > 读
输入 25MHz 时钟，SPI 接口工作频率约 125KHz（DIV_FREQ=200）

`sd_init` --- SD 卡 SPI 初始化

状态机流程：上电等待（5000 周期） → CMD0（复位） → CMD8（电压检测 2.7~3.6V） → CMD55 → ACMD41（循环等待直到就绪，超时 25000 周期）
初始化完成后拉高 sd_init_done

`sd_write` --- SD 卡 SPI 写数据

发送 CMD24（WRITE_BLOCK）单块写命令
数据格式：起始字节 0xFE + 512 字节数据（256×16bit）+ 2 字节 CRC
等待 BUSY 信号释放后完成

`sd_read` --- SD 卡 SPI 读数据

发送 CMD17（READ_SINGLE_BLOCK）单块读命令
等待响应（0x00）和起始字节（0xFE）
接收 512 字节数据（256×16bit），输出 rd_val_data 和 rd_val_en

关键扇区地址：

参数	值	说明
`START_ADDR`	8256	录音数据起始扇区
`AUDIO_SEC`	79076	录音最大扇区数

4.3 WM8978 音频子系统

模块层次 ：wm8978_ctrl → wm8978_config + audio_send + audio_receive

`wm8978_config` --- 寄存器配置

例化 i2c_dri（I2C 驱动）和 i2c_reg_cfg（寄存器配置表）
配置完成后拉高 cfg_done

`i2c_dri` --- I2C 驱动

从机地址 0x34（7-bit） → 0x34 << 1 = 0x68（8-bit）
三段式状态机：IDLE → 发送从机地址 → 发送寄存器地址（8/16位） → 写数据 / 读数据 → STOP
I2C 时钟频率 250KHz（50MHz / 200）

`i2c_reg_cfg` --- WM8978 寄存器配置表

配置 17 个寄存器：

寄存器	功能	关键值
R0 (0x00)	软复位	0x0000
R1 (0x01)	电源管理1	使能 BIASEN, VMIDSEL $1:0$
R2 (0x02)	电源管理2	使能 DACL, DACR, LOUT1, ROUT1
R3 (0x03)	电源管理3	使能 RMIX, LMIX, LOUT2, ROUT2, RMIC, LMIC
R4 (0x04)	音频接口	I2S 16bit, 格式
R6 (0x06)	时钟生成	MCLK / 采样率分频
R7 (0x07)	附加控制	MASTER 模式
R10 (0x0A)	DAC 控制	DAC 软静音控制
R43 (0x2B)	左输入控制	0x0100
R44 (0x2C)	右输入控制	0x0100
R47 (0x2F)	左输出混合	0x0100
R48 (0x30)	右输出混合	0x0100
R49 (0x31)	左输出音量	0x0139
R50 (0x32)	右输出音量	0x0139
R51 (0x33)	左耳机输出	`0x0100 + PHONE_VOLUME(20)`
R52 (0x34)	右耳机输出	`0x0100 + PHONE_VOLUME(20)`
R53 (0x35)	左喇叭混合	`0x0100 + SPEAK_VOLUME(40)`
R54 (0x36)	右喇叭混合	`0x0100 + SPEAK_VOLUME(40)`

`audio_send` --- I2S 音频发送

字长 WL = 16bit
在 aud_lrc 边沿加载 dac_data，串行输出到 aud_dacdat
发送完成输出 tx_done

`audio_receive` --- I2S 音频接收

字长 WL = 32bit
从 aud_adcdat 采集音频数据，输出 adc_data[31:0]

4.4 电子琴子系统（波形生成）

模块层次 ：key_top → wave_ctrl → da_wave_send

`key_top` --- 按键顶层

例化 8 个 key_debounce 消抖模块
消抖参数：20ms（500000 周期 @ 50MHz），仿真模式 100 周期
输出：按键按下瞬间的单周期脉冲 key_data_1~8

`key_debounce` --- 按键消抖

检测按键状态变化后启动 20ms 倒计时
计数器归零后采样稳定值，输出 key_flag 和 key_value

`wave_ctrl` --- 频率控制核心

按键映射：10 个按键 → 21 个音符频率

按键组	功能
`func_key[3:0]`	功能选择（4按键）
`play_key[3:0]`	7 个音阶按键（Do/Re/Mi/Fa/Sol/La/Si）
`tone_key[3:0]`	低音 / 中音 / 高音切换

21 个音符频率表（对应低/中/高三个音域）：

音阶	低音	中音	高音
Do	262Hz	523Hz	1046Hz
Re	294Hz	587Hz	1174Hz
Mi	330Hz	659Hz	1319Hz
Fa	349Hz	698Hz	1397Hz
Sol	392Hz	784Hz	1568Hz
La	440Hz	880Hz	1760Hz
Si	494Hz	988Hz	1976Hz

频率控制字计算 ：freq_data = fre_act * 85
回放模式下从 audio_data_rd 获取频率信息
输出 fre_show 用于 OLED 和 LED 显示

`da_wave_send` --- DDS 正弦波发生器

相位累加器：phase_addr + freq_data（频率控制字）
从 dds_sin ROM（4096×8bit）中查表输出正弦波数据
send_flag 控制输出使能
输出 da_data[7:0] 送至 WM8978 DAC

4.5 音频数据交互子系统

模块：data_gen + audio_sd_ctrl

`data_gen` --- 数据生成与中转

例化两个异步 FIFO：
- u_async_fifo_audio_save：弹奏音频 → FIFO → SD 卡写
- u_async_fifo_audio_play：SD 卡读 → FIFO → 回放播放
数据位宽 16bit，深度参数化（仿真模式使用较小深度）

核心逻辑：

录音模式 ：用户弹奏时，audio_data_wr_vld 触发数据存入 save FIFO，fifo 数据计数达到阈值后向 SD 卡写一个扇区
回放模式 ：从 SD 卡读取扇区数据存入 play FIFO，根据 read_speed 控制读取速率，输出 audio_data_rd

`audio_sd_ctrl` --- SD 卡音频交互控制

参数：
- START_ADDR = 8448（录音起始扇区）
- AUDIO_SEC = 104422（录音扇区总数）
状态机管理 SD 卡扇区读写调度
生成 DAC 数据输出，控制 FIFO 写入计数

`time_send` --- 时序/回放控制

参数 NUM_DATA = 255
按键触发检测 ：11 级移位寄存器实现消抖，输出 touch 脉冲
time_cnt 倒计时管理音频播放时长
100ms 定时生成 audio_data_rd_req 信号
支持 read_speed 加速回放机制

4.6 显示子系统

`OLED12832` --- OLED 显示驱动

分辨率 128×32 像素
内置 5×8 点阵 ASCII 字库（0-9, A-Z, a-z 及特殊符号）
状态机：MAIN → INIT → SCAN → WRITE → DELAY
显示内容：
- 当前音阶编号（0~20）
- 音域状态（低/中/高音，用 "LOW"/"MED"/"HIG" 标识）
SPI 4 线接口（DC, SDA, SCL, RES, CS）

`led` --- LED 指示灯

21 个 LED，对应 21 个音符频率
当 fre_show 匹配某个预定义的频率值时，对应 LED 通过 send_flag 闪烁
支持频率值：262, 294, 330, 349, 392, 440, 494, 523, 587, 659, 698, 784, 880, 988, 1046, 1174, 1319, 1397, 1568, 1760, 1976

4.7 测试/仿真

`top_audio_sd_tb` --- 仿真测试平台

提供 50MHz 主时钟（周期 20ns）
复位信号持续 2000ns 后释放
仿真按键操作：
- key_play_10 按键（中音 Do）：按 8ms + 松 20ms + 按 4ms + 松 20ms
- key_play_7 按键（Si）：按 4ms + 松 30ms + 按 4ms
总仿真时间 100ms（5000000 个时钟周期）

`sd_wr_ctrl` --- SD 卡读写测试

在 sd_init_done 上升沿触发
写操作：向扇区 2000 写入递增数据
读操作：读回扇区 2000 数据并校验
数据校验失败时拉高 error_flag
仅在仿真模式下可通过 sim 参数选择内部模块连接到此控制器

五、时钟域与接口信号汇总

时钟域分布

模块	时钟信号	频率
`top_audio_sd`	`clk`	50MHz
`sd_ctrl_top` / SD 子系统	`pll_clk_sd`	25MHz
`wm8978_ctrl` / 音频子系统	`clk` + `aud_bclk`	50MHz + ~3.072MHz
`data_gen` FIFO（写端）	`clk`	50MHz
`data_gen` FIFO（读端）	`pll_clk_sd`	25MHz

顶层端口列表

端口名	方向	位宽	功能
`clk`	input	1	系统主时钟 50MHz
`rst_n`	input	1	异步复位（低有效）
`key_in`	input	16	16 个按键输入
`sd_mosi`	output	1	SD 卡 SPI MOSI
`sd_miso`	input	1	SD 卡 SPI MISO
`sd_clk`	output	1	SD 卡 SPI 时钟
`sd_cs`	output	1	SD 卡 SPI 片选
`aud_bclk`	input	1	I2S 位时钟
`aud_lrc`	input	1	I2S 左右声道
`aud_dacdat`	output	1	I2S DAC 数据
`aud_adcdat`	input	1	I2S ADC 数据
`i2c_sda`	inout	1	I2C 数据线
`i2c_scl`	output	1	I2C 时钟线
`olcd_cs`	output	1	OLED 片选
`olcd_dc`	output	1	OLED 数据/命令
`olcd_scl`	output	1	OLED SPI 时钟
`olcd_sda`	output	1	OLED SPI 数据
`olcd_res`	output	1	OLED 复位
`led`	output	4	LED 指示输出

六、系统工作流程

6.1 上电初始化

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上电
 ├─ PLL 锁定 → 产生 sd_clk / aud_clk
 ├─ WM8978 初始化：I2C 配置 17 个寄存器
 ├─ SD 卡初始化：SPI 模式 CMD0→CMD8→CMD55→ACMD41
 └─ OLED 初始化：写入配置命令 → 显示开机画面

6.2 电子琴演奏模式

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按键按下 → key_top 消抖 → 单脉冲输出
 └─ wave_ctrl：按键组合 → 查表得频率 → 计算 freq_data
      └─ da_wave_send：DDS 累加 → ROM 查表 → da_data
           └─ wm8978_ctrl：audio_send → I2S 发送 → WM8978 DAC → 发声
      └─ fre_show → OLED 显示音阶 / LED 指示音符

6.3 录音流程（弹奏 → SD 卡）

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弹奏 → audio_data_wr_vld → 数据存入 save FIFO
 └─ data_gen：FIFO 数据量 ≥ 256 → wr_start_en
      └─ sd_write：CMD24 → SPI 写入 512 字节 → wr_busy 释放
           └─ wr_sec_addr++

6.4 回放流程（SD 卡 → 播放）

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time_send：检测回放按键 → touch 触发 → audio_data_rd_req
 └─ data_gen：FIFO 空 → rd_start_en
      └─ sd_read：CMD17 → SPI 读取 512 字节 → 存入 play FIFO
           └─ FIFO → audio_data_rd → wave_ctrl → da_wave_send → 发声

七、关键参数汇总

模块	参数	值	说明
`top_audio_sd`	`START_ADDR`	8256	录音起始扇区
`top_audio_sd`	`AUDIO_SEC`	79076	最大录音扇区数
`audio_sd_ctrl`	`START_ADDR`	8448	音频控制起始扇区
`audio_sd_ctrl`	`AUDIO_SEC`	104422	音频控制扇区总数
`sd_init`	`DIV_FREQ`	200	SPI 时钟分频（250KHz）
`sd_init`	`POWER_ON_NUM`	5000	上电等待周期
`sd_init`	`OVER_TIME_NUM`	25000	ACMD41 超时周期
`i2c_dri`	`SLAVE_ADDR`	0x34	WM8978 I2C 地址
`i2c_dri`	`CLK_FREQ`	50MHz	驱动时钟频率
`i2c_dri`	`I2C_FREQ`	250KHz	I2C 总线频率
`i2c_reg_cfg`	`REG_NUM`	17	配置寄存器数量
`i2c_reg_cfg`	`PHONE_VOLUME`	20	耳机音量
`i2c_reg_cfg`	`SPEAK_VOLUME`	40	喇叭音量
`audio_send`	`WL`	16	I2S 发送字长
`audio_receive`	`WL`	32	I2S 接收字长
`time_send`	`NUM_DATA`	255	回放数据计数
`key_debounce`	消抖时间	20ms	@50MHz = 1000000 ticks
`da_wave_send`	ROM	4096×8bit	正弦波查找表
`async_fifo`	`DATA_WIDTH`	16	数据位宽
`async_fifo`	`FIFO_DEPTH`	256/自定义	FIFO 深度

八、外部 IP 核依赖

IP 核	文件	功能
PLL 锁相环	`pll_clk`	50MHz → 25MHz + 12.288MHz
DDS ROM	`dds_sin`	4096×8bit 正弦波查找表，初始化文件 `dds_4096x8b_wave_sin.mif`
FIFO	`async_fifo_ip`	异步 FIFO，数据中转缓冲

九、开发环境

FPGA 器件：Intel Cyclone IV E（EP4CE 系列）
开发工具：Quartus Prime / Quartus II
仿真工具：ModelSim（仿真文件中使用 $display 打印调试信息）
硬件平台：正点原子 FPGA 开发板

十、注意事项

跨时钟域处理 ：data_gen 中 FIFO 写端使用 50MHz，读端使用 25MHz（SD 卡时钟），通过异步 FIFO 实现可靠跨时钟域传输
SD 卡格式：需使用 FAT32 格式化，音频数据存储在指定扇区偏移位置（起始扇区 8256）
仿真模式 ：top_audio_sd 带 sim 参数 = 1 时，sd_wr_ctrl 替换 audio_sd_ctrl 进行 SD 卡读写功能测试
参数一致性 ：top_audio_sd 与 audio_sd_ctrl 中的扇区参数不同，请在整合同一个系统时确认正确的参数值
WM8978 主从模式：当前配置 WM8978 为 MASTER 模式，由 WM8978 提供 BCLK 和 LRC。如需改为 SLAVE 模式，需修改 R7 寄存器配置

基于 FPGA 的 SD 卡音频播放与电子琴系统

基于 FPGA 的 SD 卡音频播放与电子琴系统

一、项目概述

硬件平台

二、工程文件结构

三、顶层模块架构

top_audio_sd（顶层集成模块）

四、子系统详细说明

4.1 时钟系统

4.2 SD 卡子系统

sd_ctrl_top --- SD 卡顶层控制器

sd_init --- SD 卡 SPI 初始化

sd_write --- SD 卡 SPI 写数据

sd_read --- SD 卡 SPI 读数据

4.3 WM8978 音频子系统

wm8978_config --- 寄存器配置

i2c_dri --- I2C 驱动

i2c_reg_cfg --- WM8978 寄存器配置表

audio_send --- I2S 音频发送

audio_receive --- I2S 音频接收

4.4 电子琴子系统（波形生成）

key_top --- 按键顶层

key_debounce --- 按键消抖

wave_ctrl --- 频率控制核心

da_wave_send --- DDS 正弦波发生器

4.5 音频数据交互子系统

data_gen --- 数据生成与中转

audio_sd_ctrl --- SD 卡音频交互控制

time_send --- 时序/回放控制

4.6 显示子系统

OLED12832 --- OLED 显示驱动

led --- LED 指示灯

4.7 测试/仿真

top_audio_sd_tb --- 仿真测试平台

sd_wr_ctrl --- SD 卡读写测试

五、时钟域与接口信号汇总

时钟域分布

顶层端口列表

六、系统工作流程

6.1 上电初始化

6.2 电子琴演奏模式

6.3 录音流程（弹奏 → SD 卡）

6.4 回放流程（SD 卡 → 播放）

七、关键参数汇总

八、外部 IP 核依赖

九、开发环境

十、注意事项

`top_audio_sd`（顶层集成模块）

`sd_ctrl_top` --- SD 卡顶层控制器

`sd_init` --- SD 卡 SPI 初始化

`sd_write` --- SD 卡 SPI 写数据

`sd_read` --- SD 卡 SPI 读数据

`wm8978_config` --- 寄存器配置

`i2c_dri` --- I2C 驱动

`i2c_reg_cfg` --- WM8978 寄存器配置表

`audio_send` --- I2S 音频发送

`audio_receive` --- I2S 音频接收

`key_top` --- 按键顶层

`key_debounce` --- 按键消抖

`wave_ctrl` --- 频率控制核心

`da_wave_send` --- DDS 正弦波发生器

`data_gen` --- 数据生成与中转

`audio_sd_ctrl` --- SD 卡音频交互控制

`time_send` --- 时序/回放控制

`OLED12832` --- OLED 显示驱动

`led` --- LED 指示灯

`top_audio_sd_tb` --- 仿真测试平台

`sd_wr_ctrl` --- SD 卡读写测试