Le module PmodMIC3

Le module PmodMIC3 de Digilent permet de connecter un microphone sur un connecteur Pmod d’une carte à FPGA du même constructeur. Il comporte un microphone analogique et un convertisseur analogique/numérique ADCS7476 de Texas Instruments.

Ce convertisseur se pilote à travers une interface série synchrone très répandue sous le nom de bus SPI. Dans ce projet, le FPGA jouera le rôle de maître sur le bus SPI et le module PmodMIC3 jouera le rôle d’esclave. Le FPGA devra donc contenir la logique nécessaire à la transmission de données en respectant le protocole SPI.

Les documentations correspondantes sont disponibles ci-dessous :

• Digilent – PmodMIC3 Reference Manual
• Texas Instruments – ADCS7476 ADCS7477 ADCS7478 1MSPS, 12-/10-/8-Bit A/D Converters in SOT-23 & LLP

L’entité MicrophoneReceiver

Vous allez développer l’entité MicrophoneReceiver qui sera chargée de recevoir des données audio en provenance du module PmodMIC3.

Cette entité possédera les paramètres génériques suivants :

L’entité MicrophoneReceiver produit un flux de données en utilisant le protocole ready/valid. Elle joue le rôle de producteur :

Réalisation du récepteur

Au cours de son fonctionnement, l’entité MicrophoneReceiver communique avec le convertisseur analogique/numérique du module PmodMIC3 pour déclencher des acquisitions et recevoir les valeurs d’échantillons. L’acquisition d’un échantillon s’effectue de la manière suivante :

• Sélectionner le convertisseur en mettant chip_select_n_o à '0'.
• Produire un signal d’horloge sur serial_clk_o avec une fréquence correspondant à la vitesse de communication souhaitée (BIT_RATE_HZ).
• Au rythme de l’horloge série, recevoir et mémoriser les données que le convertisseur retourne sur l’entrée serial_data_i.
• Libérer le convertisseur en mettant chip_select_n_o à '1'.

Lorsque la communication avec le convertisseur est terminée, la sortie valid_o est mise à '1'. La valeur du nouvel échantillon est disponible sur la sortie data_o. L’entité MicrophoneReceiver attend que ready_i soit activé pour lire l’échantillon suivant.

Un scénario typique de fonctionnement est décrit par le chronogramme suivant :

Dans l’exemple ci-dessus, l’entité est paramétrée pour retourner des échantillons sur 16 bits signés (BITS_PER_SAMPLE = 16). Le convertisseur, lui, retourne des échantillons sur 12 bits non signés, la valeur 0 correspondant à la plus petite valeur possible. Malgré cela, la communication s’effectue toujours sur 16 cycles de serial_clk_o, dont seuls les 12 derniers servent à transporter des données utiles sur serial_data_i.

Machine à états et signaux de contrôle

Le fonctionnement du récepteur sera géré par une machine à trois états avec les états suivants :

Lors de sa réinitialisation (reset_i), le récepteur doit se mettre dans l’état INIT_STATE. Au front d’horloge suivant, il doit passer dans l’état BUSY_STATE pour déclencher une première conversion.

Il reste dans l’état BUSY_STATE pendant toute la durée d’une communication avec le module PmodMIC3. La sortie chip_select_n_o vaut '0'.

Dans l’état VALID_STATE, il met la sortie valid_o à '1' et attend que ready_i passe à '1'. Ensuite, il retourne dans l’état BUSY_STATE.

Pour mesurer la durée dans l’état BUSY_STATE, nous recommandons de créer deux compteurs : un pour compter le nombre de bits et un pour mesurer la durée d’un bit. En fonction de CLK_FREQUENCY_HZ et BIT_RATE_HZ, proposez une expression permettant de calculer le nombre de périodes de clk_i pour recevoir un bit.

En respectant les règles de conception de circuits synchrones, complétez le fichier MicrophoneReceiver.vhd.

Simulation

Le fichier MicrophoneReceiverTestbench.vhd contient un banc de test pour l’entité MicrophoneReceiver.

Pour exécuter la simulation, nous fournissons un script qui automatise le démarrage du simulateur et l’exécution d’une séquence de commandes :

1. Dans le menu Tools, choisissez Run Tcl Script.
2. Allez dans le dossier src/Microphone et sélectionnez le fichier MicrophoneReceiverTestbench.tcl.

Au cours de la simulation, le banc de test affiche des messages dans le panneau Tcl Console lorsque le comportement de votre entité n’est pas conforme aux attentes. À cette étape, vous pouvez obtenir les messages suivants :

Horloge serial_clk_o

Au repos, la sortie serial_clk_o est à '1'. Pendant la durée d’une communication avec le convertisseur analogique/numérique, elle prend la forme d’un signal carré sur 16 périodes en commençant par un niveau haut.

Vous devez piloter serial_clk_o en visant à atteindre un rapport cyclique de 50%. En pratique, ce sera le cas si une période de serial_clk_o correspond à un nombre pair de périodes de clk_i. Dans les autres cas, la documentation constructeur du convertisseur indique que le rapport cyclique de serial_clk_o doit être compris entre 40% et 60%.

En respectant les règles de conception de circuits synchrones, complétez l’architecture RTL de manière à produire un signal serial_clk_o ayant la forme ci-dessus.

Relancez la simulation et validez le fonctionnement du circuit. Vérifiez les messages affichés par le banc de test dans le panneau Tcl Console. À cette étape, vous pouvez obtenir les messages suivants lorsque serial_clk_o a une valeur incorrecte, change de valeur au mauvais moment, ou a des durées incorrectes à l’état haut ou bas :

Mémorisation des données reçues

L’entrée serial_data_i transporte la valeur de l’échantillon, bit par bit au rythme de serial_clk_o, en commençant par le bit de poids fort. Elle est mise à jour à chaque front descendant de serial_clk_o.

D’après la documentation constructeur, dans le pire des cas, il peut s’écouler 40 ns entre le front descendant de serial_clk_o et le moment où serial_data_i devient stable. Pour la vitesse de communication la plus élevée (20 MHz, soit 50 ns par période), il est donc souhaitable de mémoriser les données à la fin de la période de serial_clk_o. Le plus simple pour nous est de toujours effectuer la mémorisation juste avant de déclencher le prochain front descendant de serial_clk_o.

En respectant les règles de conception de circuits synchrones, complétez l’architecture RTL de manière à mémoriser serial_data_i en exploitant le principe du registre à décalage illustré par ce chronogramme :

Sur le chronogramme ci-dessus, vous noterez qu’on ne mémorise pas directement le bit de poids fort $D_{11}$, mais que l’on prend son inverse $\overline{D_{11}}$ (voir les explications dans l’encadré ci-dessous).

La taille du registre data_reg est fixée à 12 bits. Le port de sortie data_o, de son côté, a une taille réglable définie par le paramètre générique BITS_PER_SAMPLE. Pour copier la valeur du registre sur le port de sortie, il faut donc tenir compte d’une éventuelle différence de taille et effectuer, si nécessaire, une extension du bit de poids fort afin de préserver le signe. Pour ce faire, vous pouvez utiliser la fonction resize du package ieee.numeric_std :

data_o <= resize(data_reg, BITS_PER_SAMPLE);

Relancez la simulation et validez le fonctionnement du circuit. Vérifiez les messages affichés par le banc de test dans le panneau Tcl Console. À cette étape, vous pouvez obtenir le message suivant lorsque data_o a une valeur incorrecte au moment où done passe à '1' :

Application de démonstration

Nous vous proposons de réaliser une application permettant de valider votre contrôleur de microphone sur le matériel. Cette application consistera à reproduire sur une sortie audio les sons capturés par le microphone. Pour ce faire, on reliera simplement une instance de votre entité MicrophoneReceiver avec une instance de l’entité I2STransmitter.

L’entité MicrophoneDemo devra posséder les ports suivants :

L’architecture structurelle est constituée des éléments suivants :

• Un générateur d’horloge.
• Une instance de MicrophoneReceiver, qui recevra des données audio en provenance du module PmodMIC3.
• Une instance de I2STransmitter, qui transmettra les données audio vers le module PmodI2S.

Le microphone fournissant un signal audio sur une seule voie, les données en sortie de MicrophoneReceiver seront mises à l’échelle et copiées sur les voies gauche et droite de l’entité I2STransmitter. La synchronisation des deux instances est assurée par les signaux mic_valid et i2s_ready.

Synthétiser et implémenter le circuit

Dans le panneau Tcl Console, indiquez que l’entité MicrophoneDemo est l’entité principale du circuit :

set_property top MicrophoneDemo [get_filesets sources_1]

Générez le fichier binaire à charger dans le FPGA : Flow Navigator → Program and Debug → Generate Bitstream.

Vivado va enchaîner toutes les étapes d’analyse des fichiers sources, de synthèse logique, de placement et routage, pour terminer par la génération d’un fichier binaire à charger dans le FPGA.

À la fin des opérations, la boîte de dialogue Bitstream Generation Completed s’affiche. Choisissez Open Hardware Manager.

Configurer le FPGA

Vérifiez que l’interrupteur d’alimentation de votre carte Basys3 est en position OFF. Le cavalier situé à côté de l’interrupteur doit être en position USB.

Branchez le module PmodMIC3 sur le connecteur JB (en haut sur le côté droit de la carte). Branchez le module PmodI2S sur le connecteur JA (en haut sur le côté gauche de la carte) et branchez un casque stéréo ou des enceintes sur le connecteur jack.

Reliez le connecteur micro-USB de la carte à un port USB de votre PC. Mettez la carte sous tension.

En haut du panneau Hardware Manager, pressez Open target et choisissez Auto Connect.

Pressez ensuite Program Device et sélectionnez le fichier MicrophoneDemo.bit.

Implémentation de référence

Pour vous éviter de rester bloqués à cette étape, nous fournissons deux fichiers de référence :

• src/Microphone/MicrophoneReceiver-ref.vhd est un fichier source VHDL du récepteur, dont le contenu a été volontairement rendu illisible, et dont les valeurs de paramètres génériques ont été figées. Nous vous conseillons de ne pas perdre de temps à essayer de le rendre lisible.

• ref/MicrophoneDemo-ref.bit est le fichier binaire de l’application de démonstration à charger directement dans le FPGA à partir du Hardware Manager de Vivado. Effectuez l’action Program Device et choisissez le fichier MicrophoneDemo-ref.bit.

  Dans votre projet, activez l’utilisation du fichier MicrophoneReceiver-ref.vhd à l’aide de ces commandes dans le panneau Tcl Console :

  set_property is_enabled false [get_files MicrophoneReceiver.vhd]
  set_property is_enabled true  [get_files MicrophoneReceiver-ref.vhd]