王啟明 郭寧峰 周艷艷

摘要：通過對音樂頻譜儀原理的研究，利用STC8A4K60S2A12單片機控制技術(shù)、離散傅里葉變換快速算法，通過單片機內(nèi)置的ADC采集音頻信號，并將采集到的音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。設(shè)計并實現(xiàn)一個音樂頻譜儀，通過LED點陣將音樂頻譜顯示出來。

關(guān)鍵詞：單片機;傅里葉變換;LED點陣

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0211-02

時代在不斷發(fā)展，生活水平在不斷提高，人們在解決基本生活所需的同時，也更加注重對生活品質(zhì)的追求，音樂頻譜儀就是在這種追求之下的產(chǎn)物。它促進了音樂的可視化，把原本只能“聽”的音樂，變得能夠“看”到，使音樂在給人聽覺享受的同時，也帶來視覺上的享受;幫助錄音師對錄制的音頻進行加工處理，使音頻變得更加豐富，有層次感。更廣泛的，是它在家庭影院、卡拉OK等音響系統(tǒng)中，實時顯示音樂信號的頻譜將為音響系統(tǒng)增添不少色彩。本文設(shè)計并實現(xiàn)一個基于STC8A4K60S2A12單片機的音樂頻譜系統(tǒng)，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易開發(fā)、生產(chǎn)成本低等特點。能夠較好地滿足人們在生活中的需求。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以STC8A4K60S2A12單片機為控制核心，利用其內(nèi)部集成的一個12位15通道的高速ADC轉(zhuǎn)換器收集來自外界的音頻信號，并將音頻信號（電信號）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。通過快速傅里葉變換（FFT）對離散后的數(shù)字信號進行處理和運算。FFT計算出頻譜值以后，由LED頻譜顯示電路負責在單片機的控制下把頻譜直觀地顯示出來。此外，本系統(tǒng)還包括按鍵控制的開關(guān)和開始動畫等其他功能。

2 硬件設(shè)計

2.1復(fù)位電路

復(fù)位電路用來將中央處理器及其他功能模塊同時恢復(fù)到一個確切的初始狀態(tài)，以備下次運行時從該初始狀態(tài)重新開始。復(fù)位方式有手動按鈕復(fù)位、上電復(fù)位、積分型上電復(fù)位、看門狗型復(fù)位電路等。本系統(tǒng)采用的是手動按鈕的復(fù)位方式，并通過六引腳自鎖開關(guān)來作為系統(tǒng)的開關(guān)按鈕，以實現(xiàn)手動復(fù)位的功能。六引腳自鎖開關(guān)是一種雙刀雙擲開關(guān)，引腳有2排，每排3個引腳，中間一根是公共端，對應(yīng)它左右兩個引腳一個常開一個常閉，另一排與此一樣，而且常開對常開，常閉對常閉。值得注意的是如果不把它們連接起來，它們就是完全獨立的兩組。

六引腳自鎖開關(guān)引腳圖如下：

2.2 STC8A4K60S2A12控制芯片

STC8A4K60S2A12單片機是一款宏晶科技公司生產(chǎn)的STC8系列單片機，這種系列的單片機具有不需要外部晶振和外部復(fù)位的特點，是以超強抗干擾、超低價、高速、低功耗為目標的8051單片機，在相同的工作頻率下，STC8系列單片機比傳統(tǒng)的8051約快12倍（速度快11.2～13.2倍），依次按順序執(zhí)行全部的111條指令，STC8系列單片機僅需147個時鐘，而傳統(tǒng)的8051則需要1944個時鐘。STC8系列單片機是STC8生產(chǎn)的單時鐘/機械周期（1T）的單片機，是寬電壓、高速、高可靠、低功耗、強抗靜電、較強抗干擾的新一代8051單片機。它的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。因為STC8系列單片機的眾多優(yōu)點，它常被用于學習和開發(fā)。

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

STC8A4K60S2A12單片機內(nèi)置的ADC通過對模擬信號的量化和編碼來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。量化是將模擬信號（音頻信號）量程分成許多離散量級，并確定輸入信號所處的量級。編碼則是對每一個量級分配一個唯一數(shù)字碼，并確定與輸入信號所對應(yīng)的代碼。ADC轉(zhuǎn)換口位于單片機P1口，有12位15通道的高速ADC。其輸入電壓量程為0～Vcc，如果被測電壓大于ADC的輸入電壓，則需要在輸入ADC引腳之前加入電阻分壓和放大器電路。ADC的時鐘頻率范圍為SYSclk/2/1～SYSclk/2/16，每固定16個ADC時鐘可完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。當模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果會自動保存到寄存器ADC_RES和ADC_RESL中，以備后續(xù)使用。

2.4 LED顯示驅(qū)動

本設(shè)計采用74HC595芯片作為LED的顯示驅(qū)動。74HC595內(nèi)含8位串入，串/并出位移寄存器和8位三態(tài)輸出鎖存器（即具有高電平、低電平和高阻抗三種輸出狀態(tài)）。寄存器和鎖存器分別有各自的時鐘輸入（SCLK和SLCK），都是上升沿有效。當SCLK從低到高電平跳變時，串行輸入數(shù)據(jù)（SER）移入寄存器;反之，當SLCK從低到高電平跳變時，寄存器的數(shù)據(jù)信息傳入鎖存器。清除端（CLR）的低電平只對寄存器復(fù)位（QS為低電平），而對鎖存器沒有影響。當輸出允許控制（OE）為高電平時，并行的輸出（Q0～Q7）為高阻態(tài)，而串行的輸出（QS）不受影響。數(shù)據(jù)信息從SER口送入74HC595，在每個SCLK的上升沿，SER口上的數(shù)據(jù)信息移入寄存器，在SCLK的第9個上升沿，數(shù)據(jù)信息開始從QS移出。如果把第1個74HC595的QH和第2個74HC595的SDA相接，數(shù)據(jù)信息就可以移入第2個74HC595中，按照上面的接法一個一個接下去，就可接任意多個（本設(shè)計接了3個）。數(shù)據(jù)信息全部送完后，會給SLCK一個上升沿，寄存器中的數(shù)據(jù)信息就會置入鎖存器，此時如果OE為低電平，數(shù)據(jù)信息就會從芯片的并口Q0～Q7輸出，把Q0～Q7與LED的8段相連，LED就可以實現(xiàn)顯示了。

3 軟件設(shè)計

3.1 開機動畫

很多電腦和手機的系統(tǒng)有含有開機動畫的模塊，它的作用是豐富系統(tǒng)功能、增加系統(tǒng)的娛樂性。擁有一個華麗漂亮的開機動畫，可以消除用戶在等待系統(tǒng)啟動時產(chǎn)生的焦慮，從而使用戶變得心情舒暢。本系統(tǒng)雖然啟動時間很短，但仍然添加了開機動畫模塊，以呈現(xiàn)更加炫酷的視覺效果。動畫實現(xiàn)的原理非常簡單，即利用人眼的余暉效應(yīng)，快速顯示動作連續(xù)的“圖片”，就可以達到動畫的視覺效果。本系統(tǒng)中，利用取模軟件對畫好的圖形進行取模，并將結(jié)果傳入代碼定義好的數(shù)組中存儲。通過每組數(shù)據(jù)的顯示和適當?shù)难訒r，實現(xiàn)開機動畫的功能。

3.2 ACD程序

系統(tǒng)運行時，首先是對ADC各寄存器的設(shè)置，對于ADC控制寄存器（符號為ADC_CONTR），它的主要功能是啟動AD轉(zhuǎn)換，遷擇通道，設(shè)置轉(zhuǎn)換頻率 ，查詢是否完成轉(zhuǎn)換等。本系統(tǒng)代碼進行對ADC_CONTR中的ADC_START位和ADC_FLAG位的宏定義，以實現(xiàn)其自動清零和軟件清零的操作。具體代碼為：#define ADC_START （1<<6） //自動清零 #define ADC_FLAG? ?（1<<5） //軟件清零。通過ADC配置寄存器（符號為ADCCFG）中的SPEED位來控制ADC的轉(zhuǎn)換時間，SPEED[3：0]共有16種不同的模式，分別是0000至1111，不同的模式代表著不同的CUP時鐘數(shù)。本系統(tǒng)采用0010即CUP時鐘數(shù)為96就能滿足系統(tǒng)的要求。ADCCFG中的RESFMT位是用來控制ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果格式的，本系統(tǒng)中通過將其置0來實現(xiàn)把轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊的設(shè)置，并由ADC_RES保存結(jié)果的高8位，ADC_RESL保存結(jié)果的低4位（結(jié)果的保存是自動的）。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)果通過return語句返回給復(fù)數(shù)的實部，以用于FFT程序的操作。

3.3 FFT算法

FFT算法是離散傅里葉變換（DFT）的快速算法。于1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出。采用這種算法能使計算機計算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少。特別的，被變換的抽樣點數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計算量的節(jié)省就越顯著。

該算法的核心部分是關(guān)于蝶形算法的運算。對于點數(shù)為N = 2^L的FFT運算，可以分解為L階蝶形圖級聯(lián)，每一階蝶形圖內(nèi)又分為M個蝶形組，每個蝶形組內(nèi)包含K個蝶形。根據(jù)這一點我們就可以構(gòu)造三層循環(huán)來實現(xiàn)蝶形運算。另外，蝶形算法還涉及了復(fù)數(shù)的乘法和加法等運算，在編寫程序過程中，需要把復(fù)數(shù)的運算轉(zhuǎn)化為實數(shù)運算。

3.4 LED顯示程序

因為無法同時控制所有LED燈的亮滅，所以我們退而求其次，先對第一行的LED燈輸入亮滅數(shù)據(jù)。當處于亮狀態(tài)的LED燈保持一定時間后，再對第二行的LED燈傳入控制亮滅的數(shù)據(jù)，以此類推，直至對每一行LED燈都傳入了數(shù)據(jù)。當最后一行結(jié)束后，就重新回到第一行，重復(fù)循環(huán)上面的操作。根據(jù)人眼的余暉效應(yīng)，當循環(huán)速度達到每秒24次及以上時，人們就可以看到連續(xù)的動態(tài)效果。

4 結(jié)束語

本文提出了一種設(shè)計簡單、應(yīng)用場景廣泛的音樂頻譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STC8A4K60S2A12單片機為控制核心，將原本只能聽的音樂通過生動的影像展現(xiàn)出來，豐富了人們的視聽體驗。該設(shè)為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用實訓項目，通過該項目的設(shè)計，增加了學生對物聯(lián)網(wǎng)的理解，為進進入物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域打開了大門。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】