vivado+zedboard之音频分析仪

环境：win7 64 vivado 2014.1
开发板：zedboard version d xc7z020clg484-1
串口软件：SecureCRT
目标：对一段随机的音频信号进行实时频谱分析。从pc获取音频信号，经由PL的fft IP处理后送入OLED，进行音频频谱的实时显示。通过本实例学习vivado+zedboard软硬件设计的方法，学习控制zedboard外设的方法。本文在商品博客的基础上，把fft函数改为fft ip，实现相同的功能，对部分函数进行优化。

说明：本文的fft算法部分采用硬件实现的，使用的是vivado自带的ip，参考ug871。

注意：本文中所有的源码、工程文件在“我的资源”中可以找到，如果没有请联系作者本人。转载请注明出处。

正文：

本文将分为以下步骤：

1. 使用Vivado 建一个工程，添加oled、audio_ctrl等IP，完成硬件设计。generate，最后导入到SDK中

2. 在SDK中新建工程，添加文件，编译。下载到ZedBoard上进行调试

3. 程序分析

4. 总结

1. 使用Vivado 建一个工程，添加oled、audio_ctrl等IP，完成硬件设计。generate，最后导入到SDK中

1）新建目录audio_fre_hw，在其下新建vivado工程。选择zedboard开发板。

2）将ip_repo拷贝到audio_fre_hw/下。打开IP catalog目录，选择IP setting，添加/audio_fre_hw/ip_repo.

3）将system.tcl拷贝到audio_fre_hw/下。

4）打开vivado的TCL console，

输入：cd (dir)/project/audio_fre_sw。

输入：source system.tcl

此时可以看到自动创建了一个system.bd。

5）generate output product

6) create HDL wrapper

7) 添加约束文件。oled.xdc和zed_audio_constraints.xdc

8）generate bitstream

9）open implementation design & block design

10) export for SDK

2. 在SDK中新建工程，添加文件，编译。下载到ZedBoard上进行调试

11) 在SDK中新建工程，audio_fre_hw，选择空模板

12）添加源文件，见/src/sdk

13) 检查自动编译的结果是否正确。如果报错，提示缺少sin、cos等，在project->property->build setting->linker library中添加参数m，以使用数学函数库

添加完毕后，SDK会自动编译程序。出现“'Finished building: test_audio.elf.size'”说明成功。

14）使用音频线（音箱和电脑连接的那个线）连接pc的音频口和zedboard的LINE IN接口，将耳机的音频插头接入LINE OUT接口。使用miniUSB连接J14和J17接口用于串口通信和烧写程序。

15）打开SecureCRT并连接。选择Xilinx tools->Program FPGA，烧写程序，蓝灯DONE亮说明成功。

16）打开PC的音频播放器，随便播放一段音频。run->run as,选择GDB。

17）可通过开关选择可以进行控制。

SW0:0--播放原始音频；1--进行音频实时fft分析；

3. 程序分析

18) 关于fft

fft ip是参考ug871进行实现的，核心是vivado自带的fft，再加上通过HLS生成的前处理和后处理的IP核，共同构成了RealFFT核（本来想单独给它生成IP的，一时未验证成功）。博主本人之前尝试着把上篇软件的fft经HLS转为IP，虽然转成功了，但是vivado综合不了，猜想是数据类型和数据量的原因以至于无法传输大批量数据。本文默认的FFT_SIZE是1024，数据量更为庞大，那么是如何处理的呢？通过使用streaming方式使FFT IP直接与cpu通信，即采用DMA IP连接RealFFT IP和CPU，从而CPU只需要对DMA进行操作即可。因此数据的输入输出只需要和DMA打交道就可以了。这里贴上代码和个人注释，以供参考。这里面使用的simpleTransfer函数，只能处理长度为32位的数据，因此本文的输入输出数据均为short类型，更为复杂的类型还需后续研究。

void RealFFT_DMA(XAxiDma *InstancePtr,short *dataIn,compx * dataOut)
{int i=0;int status;// *IMPORTANT* - flush contents of 'realdata' from data cache to memory// before DMA. Otherwise DMA is likely to get stale or uninitialized dataXil_DCacheFlushRange((unsigned)dataIn, 4 * FFT_SIZE * sizeof(short));        //refresh cache// DMA enough data to push out first result data set completely  ??why 4?why must be?why not 5,6,..?//      Request DMA transfer from PS to PL. Enough data to fill the front-end block and the FFT processing//    pipelines must be sent in order for spectral data to be ready when the PL to PS transfer is requested.//    Therefore, four data sets are sent before the first output set is requested:status = XAxiDma_SimpleTransfer(InstancePtr, (u32)dataIn,           //send enough data to DMA4 * FFT_SIZE * sizeof(short), XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);// Do multiple DMA xfers from the RealFFT core's output stream and// display data for bins with significant energy. After the first frame,// there should only be energy in bins around the frequencies specified// in the generate_waveform() function - currently bins 191~193 onlyfor (i = 0; i < 2; i++)           //8?2*4?    2 is ok  initial value 8 is assuring the fft out is ok{// Setup DMA from PL to PS memory using AXI DMA's 'simple' transfer modestatus = XAxiDma_SimpleTransfer(InstancePtr, (u32)dataOut,FFT_SIZE / 2 * sizeof(compx), XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);      //send result to PS// Poll the AXI DMA coredo{status = XAxiDma_Busy(InstancePtr, XAXIDMA_DEVICE_TO_DMA);       //wait until transfer done} while(status);// Data cache must be invalidated for 'realspectrum' buffer after DMAXil_DCacheInvalidateRange((unsigned)dataOut,                       //invalidated cacheFFT_SIZE / 2 * sizeof(compx));// DMA another frame of data to PL//Push another set of stimulus data to the PL in order to start the accelerator processing the next frame:if (!XAxiDma_Busy(InstancePtr, XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE))         //continue sending datastatus = XAxiDma_SimpleTransfer(InstancePtr, (u32)dataIn,FFT_SIZE * sizeof(short), XAXIDMA_DMA_TO_DEVICE);printf("\n\rFrame #%d received:\n\r", i);printf("End of frame.\n\r");}printf("fft done.\n\r");fflush(stdout);printf("fft done 1.\n\r");
}

在使用时还必须注意dataIn和dataOut的类型，本文为：

 short dataIn[FFT_SIZE*4];compx out[FFT_SIZE/2];float mag[FFT_SIZE/2];

数组长度必须使用上述所示，因为设计函数时没有考虑通用性，只考虑功能实现了。（新手不容易啊~~）

为什么要乘4呢？博主认为乘其他的也可以，但是没有去验证了，它只是为了多传点数据以供处理，包括for循环也是如此，目的都是为了最终的处理数据准确，不会因为时间问题处理错了或者没来得及传出来等。对于本例的音频数据，本文处理如下：

     //====== audio value =============get_audioData(dataIn);for (i = 1; i < 4; i++)for(j=0;j<FFT_SIZE;j++)dataIn[j + i * FFT_SIZE]=dataIn[j];

19） OLED显示

本来在之前的例子中是么有这个问题的，但是由于本文采用了1024点，那么显示的时候就出问题了，因为OLED只能显示128的长度，因此必须重新写它的显示函数，而且对于音频数据，想要其显示的好看，还必须设置显示高度。经多次尝试，本文成功实现在OLED的中央显示最大幅值，两侧均匀分布。

void oled_show(float *mag)
{printf("oled_show begin \r\n");int outLED[oled_L];int i,maxi;float tmp;u8 oled_equalizer_buf[oled_L];for (i = 0; i < oled_L; i++) outLED[i] = 0;for(i=1; i<FFT_SIZE/2; i++)         //get the  max mag & its fre{if(tmp<mag[i]){tmp=mag[i];maxi=i;}//xil_printf("Cur Mag= %x MHz\r\n",mag[i]);}if(FFT_SIZE/2>=oled_L)               //the max fre will be shown in the middle{if(maxi-64<0){for(i=0;i<maxi+64;i++)outLED[i+64-maxi]+=mag[i];for(i=0;i<64-maxi;i++)outLED[i]+=0;}else if(maxi+64>FFT_SIZE/2){for(i=0;i<FFT_SIZE/2+64-maxi;i++)outLED[i]+=mag[i+maxi-64];for(i=FFT_SIZE/2;i<maxi+64;i++)outLED[i+64-maxi]+=0;}else{for(i=0;i<oled_L;i++)outLED[i]+=mag[i+maxi-64];}}else{for(i=0;i<FFT_SIZE/2;i++)outLED[i+64-maxi]+=mag[i];for(i=0;i<i+64-maxi;i++)outLED[i]+=0;for(i=0;i<oled_L;i++)outLED[i+64-maxi+FFT_SIZE/2]+=0;}oled_equalizer_buf[0]=mag[0]/2;for (i=1; i<oled_L; i++){oled_equalizer_buf[i]=outLED[i]*AMP;         //control the height
//      if(i%10==0)
//          printf("oled_equalizer_buf[%d]=%d\r\n",i,oled_equalizer_buf[i]);}OLED_Clear();OLED_Equalizer_128(oled_equalizer_buf);OLED_Refresh_Gram();//OLED_ShowString(0,0,"hello world!");
}

20） AUDIO数据获取

在"vivado+zedboard之audio驱动"一文中已经做了分析。此处就不详述了。
4. 总结

本文学习和使用了FFT、DMA等ip核，在使用audio、oled、fft前后处理等自定义ip的基础上，构建了音频分析仪的硬件部分，并在SDK中编写了控制程序，在zedboard中成功验证。可以实时显示音频频谱。关于例子本身还有诸多要优化的地方，参见上篇博文。

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