謝志平

（廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100）

0 引言

任何周期函數(shù)，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。利用C語言編程的FFT算法[2]可以把對波形采樣回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一個模擬信號，假設(shè)對其以某個采樣率采樣了N個數(shù)據(jù)，經(jīng)過FFT換算以后，就可以獲得這段波形里面含有的不同頻率的特征，這就是頻譜。

對于音頻信號的采集轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)的51單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換速度雖然可以滿足要求，C語言編程的FFT算法比較容易編寫，但帶來的缺點(diǎn)就是執(zhí)行效率低。而且同時要滿足ADC轉(zhuǎn)換、FFT運(yùn)算及LED屏幕的數(shù)據(jù)刷新顯示和其他附加功能時會非常困難了。使用 STM32F103單片機(jī)官方的 DSP庫[2]，采用里面的256位FFT變換，用匯編語言編寫，代碼執(zhí)行效率高，使用時只要調(diào)用接口函數(shù)即可，能同時滿足多種任務(wù)運(yùn)行功能。

整個系統(tǒng)分為音頻采集與信號處理，紅外按鍵和顯示輸出部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 System structure diagram

1 硬件電路

1.1 音頻選擇與音頻處理

通過選擇開關(guān)可以對外置麥克風(fēng)和外部輸入音源進(jìn)行采集放大。外部話筒信號采集到聲音后，經(jīng)過三極管放大后，經(jīng)過選擇開關(guān)可進(jìn)入集成運(yùn)放進(jìn)行 10倍的反相放大。經(jīng)過放大后輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口。外部音頻輸入J1同樣可以經(jīng)過選擇開關(guān)接入到10倍的反相放大電路進(jìn)行放大。該反相放大采用的是軌至軌運(yùn)算放大器[3]GS8551。該芯片是一種微功率，低零點(diǎn)漂移的CMOS運(yùn)算放大器，放大器有著1.8 MHz的帶寬，軌對軌輸入和輸出，單電源提電從1.8 V到5.5 V。靜態(tài)電流低至180 μA，電路見圖2。

圖2 音頻選擇與音頻處理電路Fig.2 Audio selection and audio processing circuits

1.2 單片機(jī)外圍與顯示屏接口電路

外部輸入電源經(jīng)過穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，得到3.3 V電壓給單片機(jī)、紅外接收頭、ISP程序下載供電。采集到的音頻信號通過PA0口輸入到單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一體化紅外接收頭采用普通的通用接收頭，用來接收來自遙控器的信號，方便對頻譜顯示效果進(jìn)行切換。全彩點(diǎn)陣屏采用的是HUB-75B接口的室內(nèi)全彩屏。

圖3 單片機(jī)外圍與顯示屏接口電路Fig.3 MCU peripheral interface with the display circuit

該類型顯示屏接口定義如下：

表1 全彩HUB-75B接口定義Tab.1 Full color hub-75b interface definition

2 編程算法

如果要進(jìn)行256點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。首先使用定時器進(jìn)行定時（設(shè)置40 KHZ采樣率，最高能捕捉20 KHZ的信號），設(shè)置每次定時器溢出的時候自動觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)由 DMA[4]自動搬運(yùn)到內(nèi)存指定位置，這個采樣過程無需CPU干預(yù)，提高了效率。在完成256次頻率的轉(zhuǎn)換后，等256點(diǎn)全部傳輸完才會進(jìn)入到 DMA的中斷，這樣保證了每個采樣點(diǎn)的間隔時間一致。在中斷里面將處理完成標(biāo)志置為1后再繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

每次轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)用 DSP進(jìn)行 FFT換算，DSP換算成的FFT輸出結(jié)果相當(dāng)于一個復(fù)數(shù)，將該復(fù)數(shù)進(jìn)行求模/2處理后，就代表了該頻率點(diǎn)對應(yīng)上的幅度值了，然后分別送入兩個數(shù)組，一個用來做柱形效果，一個用來做漂浮點(diǎn)效果。

2.1 ADC采集

單片機(jī)通過ADC接口讀取音頻信號的電壓值，音樂信號的頻率范圍為 20-20 KHz。由采樣定理：為采樣頻率，為頻率分辨率，N為采樣點(diǎn)，所以一般情況給定了和F0時也就限制了N范圍：，信號的最高頻率為20 KHz。則FS= 4 0 KHz。為如果對信號進(jìn)行128點(diǎn)的采樣，分辯率為312 Hz。如果采樣點(diǎn)改為256，則F0= 1 56 Hz。即設(shè)置定時器溢出為0.025 ms，采樣點(diǎn)N通過宏定義即可在 DSP庫函數(shù)里 cr4_fft_256_stm32(FFT_OUT，F(xiàn)FT_IN，NPT)來實(shí)現(xiàn)。使用stm32cubemx[5]去配置這些硬件，生成基礎(chǔ)代碼即可完成相應(yīng)的功能。

圖4 ADC轉(zhuǎn)換流程圖Fig.4 ADC conversion flow chart

2.2 FFT算法

ADC采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷后，就可以直接轉(zhuǎn)換了，通過單片機(jī)內(nèi)部的DSP進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)行DSP庫里的FFT算法函數(shù)[6]即可完成轉(zhuǎn)換。DSP官方庫里的FFT算法有三個函數(shù)庫分別為：

cr4_fft_64_stm32.s/cr4_fft_256_stm32.s/cr4_fft_1024_stm32.s。

以256點(diǎn)為例，F(xiàn)FT算法的過程為：首先STM32庫中給出的FFT函數(shù)格式如下：

Void cr4_fft_1024_stm32(FFT_OUT, FFT_IN, NPT);

其中，NPT為采樣點(diǎn)，通過修改宏定義來修改NPT代表的值，此處為256；FFT_OUT和FFT_IN均是長度為NPT的32位長整型的數(shù)組，高16位為實(shí)部，低 16位為虛部，F(xiàn)FT_OUT [NPT]用于保存FFT之后的輸出值；FFT_IN[NPT]用于保存輸入的數(shù)值。

對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT之后，需要對輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。設(shè)置一個循環(huán)語句，將要采集的頻率范圍包含在里面，去掉直流分量。將FFT_OUT [NPT]32位的值分別賦予兩個變量，一個是實(shí)部，一個是虛部。再將其求均方根后除以2就是該頻率點(diǎn)對應(yīng)的信號幅度值。

2.3 LED數(shù)據(jù)刷新顯示

得到了信號的幅度值后，再將這個幅度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換成LED適合的顯示方式就形成了頻譜效果。點(diǎn)陣的分辨率比較高時，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，采用定時器中斷掃描顯示的方法來完成頻譜的刷新顯示。

3 系統(tǒng)測試

利用函數(shù)信號發(fā)生器，輸出接上揚(yáng)聲器，將函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，幅度調(diào)到合適的值，從0 Hz到20 KHz開始測試，利用MIC輸入采集聲音，調(diào)節(jié)音量電位器，達(dá)到合適的靈敏度，顯示屏頻譜顯示基本可以做到準(zhǔn)確地跟蹤，在 LED顯示模式上，改變顯示刷新方式，通過紅外遙控器上的功能按鍵做相應(yīng)的設(shè)置，可以進(jìn)行不同的顯示方式，增加多種效果。

4 結(jié)語

通過使用 STC8系列單片機(jī)單周期指令的速度優(yōu)勢和內(nèi)部強(qiáng)大的ADC轉(zhuǎn)換功能并結(jié)合FFT算法。完成對音樂信號的頻譜采集并通過 LED全彩顯示屏進(jìn)行顯示，能對普通的聲音信號進(jìn)行簡單的頻譜分析。同時，對日常生活音影設(shè)備增加了美感。