一种基于STM32F103C8T6单片机DSP库的音乐频谱

2020-05-16谢志平

软件 2020年4期

谢志平

（广东省技师学院，广东惠州 516100）

0 引言

任何周期函数，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的叠加。利用C语言编程的FFT算法[2]可以把对波形采样回来的数据进行转换，一个模拟信号，假设对其以某个采样率采样了N个数据，经过FFT换算以后，就可以获得这段波形里面含有的不同频率的特征，这就是频谱。

对于音频信号的采集转换，传统的51单片机的ADC转换速度虽然可以满足要求，C语言编程的FFT算法比较容易编写，但带来的缺点就是执行效率低。而且同时要满足ADC转换、FFT运算及LED屏幕的数据刷新显示和其他附加功能时会非常困难了。使用 STM32F103单片机官方的 DSP库[2]，采用里面的256位FFT变换，用汇编语言编写，代码执行效率高，使用时只要调用接口函数即可，能同时满足多种任务运行功能。

整个系统分为音频采集与信号处理，红外按键和显示输出部分，系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图Fig. 1 System structure diagram

1 硬件电路

1.1 音频选择与音频处理

通过选择开关可以对外置麦克风和外部输入音源进行采集放大。外部话筒信号采集到声音后，经过三极管放大后，经过选择开关可进入集成运放进行 10倍的反相放大。经过放大后输入到单片机的A/D转换端口。外部音频输入J1同样可以经过选择开关接入到10倍的反相放大电路进行放大。该反相放大采用的是轨至轨运算放大器[3]GS8551。该芯片是一种微功率，低零点漂移的CMOS运算放大器，放大器有着1.8 MHz的带宽，轨对轨输入和输出，单电源提电从1.8 V到5.5 V。静态电流低至180 μA，电路见图2。

图2 音频选择与音频处理电路Fig.2 Audio selection and audio processing circuits

1.2 单片机外围与显示屏接口电路

外部输入电源经过稳压芯片进行稳压，得到3.3 V电压给单片机、红外接收头、ISP程序下载供电。采集到的音频信号通过PA0口输入到单片机内部进行转换。一体化红外接收头采用普通的通用接收头，用来接收来自遥控器的信号，方便对频谱显示效果进行切换。全彩点阵屏采用的是HUB-75B接口的室内全彩屏。

图3 单片机外围与显示屏接口电路Fig.3 MCU peripheral interface with the display circuit

该类型显示屏接口定义如下：

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

2 编程算法

如果要进行256点的转换。首先使用定时器进行定时（设置40 KHZ采样率，最高能捕捉20 KHZ的信号），设置每次定时器溢出的时候自动触发一次ADC转换。转换完成后的数据由 DMA[4]自动搬运到内存指定位置，这个采样过程无需CPU干预，提高了效率。在完成256次频率的转换后，等256点全部传输完才会进入到 DMA的中断，这样保证了每个采样点的间隔时间一致。在中断里面将处理完成标志置为1后再继续转换。

每次转换完成的数据用 DSP进行 FFT换算，DSP换算成的FFT输出结果相当于一个复数，将该复数进行求模/2处理后，就代表了该频率点对应上的幅度值了，然后分别送入两个数组，一个用来做柱形效果，一个用来做漂浮点效果。

2.1 ADC采集

单片机通过ADC接口读取音频信号的电压值，音乐信号的频率范围为 20-20 KHz。由采样定理：为采样频率，为频率分辨率，N为采样点，所以一般情况给定了和F0时也就限制了N范围：，信号的最高频率为20 KHz。则FS= 4 0 KHz。为如果对信号进行128点的采样，分辩率为312 Hz。如果采样点改为256，则F0= 1 56 Hz。即设置定时器溢出为0.025 ms，采样点N通过宏定义即可在 DSP库函数里 cr4_fft_256_stm32(FFT_OUT，FFT_IN，NPT)来实现。使用stm32cubemx[5]去配置这些硬件，生成基础代码即可完成相应的功能。

图4 ADC转换流程图Fig.4 ADC conversion flow chart

2.2 FFT算法

ADC采集到的数据产生中断后，就可以直接转换了，通过单片机内部的DSP进行运算处理，运行DSP库里的FFT算法函数[6]即可完成转换。DSP官方库里的FFT算法有三个函数库分别为：

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

以256点为例，FFT算法的过程为：首先STM32库中给出的FFT函数格式如下：

Void cr4_fft_1024_stm32(FFT_OUT, FFT_IN, NPT);

其中，NPT为采样点，通过修改宏定义来修改NPT代表的值，此处为256；FFT_OUT和FFT_IN均是长度为NPT的32位长整型的数组，高16位为实部，低 16位为虚部，FFT_OUT [NPT]用于保存FFT之后的输出值；FFT_IN[NPT]用于保存输入的数值。

对原始数据进行FFT之后，需要对输出数据进行处理。设置一个循环语句，将要采集的频率范围包含在里面，去掉直流分量。将FFT_OUT [NPT]32位的值分别赋予两个变量，一个是实部，一个是虚部。再将其求均方根后除以2就是该频率点对应的信号幅度值。

2.3 LED数据刷新显示

得到了信号的幅度值后，再将这个幅度值进行转换成LED适合的显示方式就形成了频谱效果。点阵的分辨率比较高时，为了提高系统的运行效率，采用定时器中断扫描显示的方法来完成频谱的刷新显示。

3 系统测试

利用函数信号发生器，输出接上扬声器，将函数信号发生器产生正弦波，幅度调到合适的值，从0 Hz到20 KHz开始测试，利用MIC输入采集声音，调节音量电位器，达到合适的灵敏度，显示屏频谱显示基本可以做到准确地跟踪，在 LED显示模式上，改变显示刷新方式，通过红外遥控器上的功能按键做相应的设置，可以进行不同的显示方式，增加多种效果。