基于STM32-DSP庫(kù)的音樂(lè)頻譜設(shè)計(jì).docx

基于STM32 DSP庫(kù)的音樂(lè)頻譜設(shè)計(jì)成員：游政園 劉亞?wèn)| 彭 譽(yù) 黃文卓 程 劍 張瓊燕班級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)1211班指導(dǎo)老師：張靜目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)31.1 設(shè)計(jì)任務(wù)31.2 性能指標(biāo)3二、設(shè)計(jì)方案32.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)32.2 硬件設(shè)計(jì)42.2.1主控MCU模塊42.2.2電阻觸摸液晶顯示模塊52.2.3音頻采集模塊72.2.3按鍵輸入模塊72.2.4 整體電路布局8三、系統(tǒng)軟件介紹83.1 軟件實(shí)現(xiàn)思路83.2 各部分軟件實(shí)現(xiàn)思路93.2.1 硬件初始化93.2.2 音頻信號(hào)的采集10四、測(cè)試結(jié)果124.1 64分頻，即64點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試124.2 256分頻，即256點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試134.3 64分頻，即64點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試13五、結(jié)束語(yǔ)14參考文獻(xiàn)14基于STM32 DSP庫(kù)的音樂(lè)頻譜設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本作品是基于STM32和DSP庫(kù)的音樂(lè)頻譜的設(shè)計(jì)，能夠?qū)Σ杉囊纛l信號(hào)進(jìn)行分頻處理并顯示在液晶屏上。本設(shè)計(jì)主控芯片采用的是大容量增強(qiáng)型ARM Cortex-M3 內(nèi)核STM32F103ZET6芯片，其運(yùn)行頻率高，運(yùn)算速度快，主頻為72MHZ，可超頻至128MHZ，在移植了ST官方的DSP庫(kù)后運(yùn)算能力非常強(qiáng)，音頻采樣使用的是其內(nèi)部12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采樣速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，精度高，同時(shí)顯示用的是用FSMC控制的TFT液晶屏，可以達(dá)到非常好的顯示效果。關(guān)鍵字：STM32；DSP庫(kù)，音樂(lè)頻譜一、設(shè)計(jì)任務(wù)和性能指標(biāo)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)音樂(lè)頻譜，帶有FFT-64點(diǎn)和FFT-256點(diǎn)的音樂(lè)柱狀顯示。用Altium Designer畫(huà)出原理圖，繪出程序流程圖，規(guī)范化程序設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)基本功能。1.2 性能指標(biāo)1、音樂(lè)頻譜顯示柱狀更新速度快，能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前音樂(lè)頻譜分布。2、整體抗干擾能力強(qiáng)，功能穩(wěn)定，精度高。二、設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)有如下部分：STM32F103ZET6單片機(jī)核心控制模塊、按鍵輸入模塊、電阻觸摸屏輸入模塊、ADC音頻采樣輸入模塊，Ili9325主控TFT液晶屏顯示輸出模塊。硬件原理模塊框圖如下圖：Ili9325主控TFT液晶屏顯示輸出(FSMC通訊)MCU大容量增強(qiáng)型ARM Cortex-M3 內(nèi)核STM32F103ZET6芯片ADC采樣輸入(內(nèi)部集成12位高精度ADC)觸摸屏控制(SPI通訊)按鍵輸入2.2 硬件設(shè)計(jì) 2.2.1主控MCU模塊此模塊為核心控制模塊，采用的芯片是ST公司大容量增強(qiáng)型ARM Cortex-M3 內(nèi)核STM32F103ZET6芯片為主控，其供電可直接采用鋰電池進(jìn)行供電，其接口電路如下圖所示；2.2.2電阻觸摸液晶顯示模塊顯示模塊采用的是ili9325控制的256色TFT電阻觸摸液晶屏，通過(guò)STM32的FSMC控制器接口控制。 其接口電路如下圖所示；為了節(jié)省資源就把用XPT2046控制的電阻觸摸屏和TFT液晶顯示屏設(shè)計(jì)在一起，觸摸屏是通過(guò)SPI和STM32進(jìn)行通訊，觸摸屏是可以當(dāng)作按鍵來(lái)使用實(shí)現(xiàn)物理按鍵的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示；2.2.3音頻采集模塊音頻采集模塊是通過(guò)電腦音頻輸出口的音頻傳輸線(xiàn)直接將音頻信號(hào)接入STM32的PA2口，由其內(nèi)部12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓源VREF+采用的是AMS1117-3.3輸出的3.3V，VREF-采用的是接地的方式。2.2.3按鍵輸入模塊按鍵輸入可以實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)用，既可以當(dāng)普通按鍵使用實(shí)現(xiàn)功能切換，也可以作為STM32的待機(jī)喚醒鍵。2.2.4 整體電路布局三、系統(tǒng)軟件介紹3.1 軟件實(shí)現(xiàn)思路整個(gè)軟件設(shè)計(jì)共有五個(gè)部分，分別是硬件初始化，ADC音頻信號(hào)采集，讀取ADC采樣結(jié)果并進(jìn)行轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)采樣處理），對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理（用的是DSP庫(kù)函數(shù)，快速傅立葉變換64點(diǎn)FFT或256點(diǎn)FFT）、將處理過(guò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在液晶屏上顯示的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行顯示。為了保證對(duì)音頻信號(hào)采樣的有效性必須使采樣頻率是信號(hào)頻率的兩倍以上。3.2 各部分軟件實(shí)現(xiàn)思路硬件初始化軟件設(shè)計(jì)流程圖如下圖所示；ADC采樣讀取ADC采樣結(jié)果并進(jìn)行轉(zhuǎn)換等待轉(zhuǎn)換完成轉(zhuǎn)換完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分頻處理（64點(diǎn)FFT或256點(diǎn)FFT）將處理過(guò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成在液晶屏上顯示的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行顯示3.2.1 硬件初始化首先配置STM32的時(shí)鐘，使能外部8MHZ晶振9倍頻作為時(shí)鐘源，使其工作在最大頻率72MHZ，并開(kāi)啟其內(nèi)部RCC功能，即對(duì)STM32的RCC進(jìn)行初始化，STM32在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算時(shí)需要用到，初始化按鍵，初始化TFT觸摸液晶屏并清屏，初始化ADC選擇PA2作為ADC音頻采樣通道。硬件初始化函數(shù)如下；void DSPDemoInit(void)SysTick-CTRL&=(12);/SYSTICK使用外部8MHZ晶振9倍72MHz ErrorStatus HSEStartUpStatus = ERROR;/定義時(shí)鐘狀態(tài)標(biāo)志 /* SYSCLK, HCLK, PCLK2 and PCLK1 configuration -*/ /* RCC system reset(for debug purpose) */ RCC_DeInit();/開(kāi)啟RCC并復(fù)位 /* Enable HSE */ RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);/RCC時(shí)鐘配置為HSE /* Wait till HSE is ready */ HSEStartUpStatus = RCC_WaitForHSEStartUp();/等待時(shí)鐘穩(wěn)定 if(HSEStartUpStatus = SUCCESS)/RCC內(nèi)部寄存器相關(guān)配置 /* Enable Prefetch Buffer */ FLASH_PrefetchBufferCmd(FLASH_PrefetchBuffer_Enable); /* Flash 2 wait state */ FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2); /* HCLK = SYSCLK */ RCC_HCLKConfig(RCC_SYSCLK_Div1); /* PCLK2 = HCLK */ RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div1); /* PCLK1 = HCLK/2 */ RCC_PCLK1Config(RCC_HCLK_Div2); /* PLLCLK = 8MHz * 9 = 72 MHz */ RCC_PLLConfig(RCC_PLLSource_HSE_Div1, RCC_PLLMul_9); /* Enable PLL */ RCC_PLLCmd(ENABLE); /* Wait till PLL is ready */ while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) = RESET); /* Select PLL as system clock source */ RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK); /* Wait till PLL is used as system clock source */ while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)； /*- Drivers Initialization -*/ /* Initialize the LCD */ STM3210E_LCD_Init();/初始化液晶屏Adc_Init();/初始化ADC； /* Clear the LCD */ LCD_Clear(Black);/液晶屏清屏3.2.2 音頻信號(hào)的采集1,采樣信號(hào)處理函數(shù)如以下代碼void MygSin(long nfill, long Ampli)/ nfill 采樣點(diǎn)數(shù)，Ampli數(shù)據(jù)處理是的放大倍數(shù) uint32_t i; for (i=0; i nfill; i+)/采樣數(shù)據(jù)填充輸入緩存lBUFINi=Ampli*(Get_Adc_Average(2,1);/將PA2通道采集的AD值放大后寫(xiě)入輸入緩存 2,計(jì)算各次諧波幅值，此部分為固定模版，只需改動(dòng)運(yùn)算點(diǎn)數(shù)nfill的值先將lBUFOUT分解成實(shí)部(X)和虛部(Y)，然后計(jì)算幅值(sqrt(X*X+Y*Y)void powerMag(long nfill) int32_t lX,lY; uint32_t i; for (i=0; i nfill; i+)/ nfill 采樣點(diǎn)數(shù) lX= (lBUFOUTi16; / 將lBUFOUT分解成實(shí)部(X) lY= (lBUFOUTi 16); / 將lBUFOUT分解成虛部(Y) float X = nfill *(float)lX)/32768; float Y = nfill *(float)lY)/32768; float Mag = sqrt(X*X+ Y*Y)/nfill; 計(jì)算幅值(sqrt(X*X+Y*Y) lBUFMAGi = (uint32_t)(Mag*65536);/使得數(shù)據(jù)符合浮點(diǎn)運(yùn)算規(guī)律 3,進(jìn)行快速傅立葉變換void MyFFT_NPT(uint32_t freqinc1) /freqinc1為采樣分辨率，N=256, Fs = 47.619khz（STM32的/AD的采樣率） Fs/N=180Hz, u32 freq; for (freq=20; freq 20000; freq+=freqinc1)/對(duì)音頻信號(hào)頻率掃描；音頻信號(hào)：20-20KHZ; MygSin(NPT, 6.6);/音頻信號(hào)最大值為1V,最小值為0V，振幅為（1+0）/2=0.5，放大倍/數(shù)為3.3/0.5=6.6cr4_fft_256_stm32(lBUFOUT, lBUFIN, NPT);/DSP庫(kù)函數(shù)基4-256點(diǎn)FFT，輸入lBUFIN，輸/出lBUFOUT，點(diǎn)數(shù)NPT powerMag(NPT);/幅值計(jì)算； displayPowerMag();/幅值顯示 4,幅值顯示void displayPowerMag( ) uint16_t aScale;/掃秒高度即要顯示的幅值 uint16_t cln; /掃秒寬度即要顯示的柱狀寬度 for (cln=NPT/2; cln =232)aScale=232;/當(dāng)大于232時(shí)顯示232，防止?jié)M屏 LCD_DrawLine(aScale, (2*cln)+32-256 ,240-aScale,Vertical);/清除以前的柱狀點(diǎn)；LCD_DrawLine(aScale+2, (2*cln)+32-256 ,1 ,Vertical);/清除柱狀上的漂浮物； LCD_SetTextColor(Red); /設(shè)置柱狀顯示顏色 LCD_DrawLine(0, (2*cln)+32-256 ,aScale ,Vertical);/以柱狀形式顯示幅值LCD_SetTextColor(Green); /設(shè)置漂浮物顯示顏色LCD_DrawLine(aScale+2, (2*cln)+32-256 ,1 ,Vertical);/顯示柱狀上的漂浮物 四、測(cè)試結(jié)果4.1 64分頻，即64點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試可能是因?yàn)殡娔X對(duì)數(shù)據(jù)的處理的和我們不一樣所以圖中頻譜有些不一樣4.2 256分頻，即256點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試4.3 64分頻，即64點(diǎn)基4-FFT頻譜與電腦對(duì)比測(cè)試此次測(cè)試是64點(diǎn)全顯示，由此可看出音頻信號(hào)經(jīng)FFT變換后具有對(duì)稱(chēng)性如下圖所示；五、結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)由于硬件接線(xiàn)原因?qū)е乱纛l信號(hào)有波動(dòng)，對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生干擾，還有就是雖然移植的是DSP庫(kù)，但由于代碼優(yōu)化不夠?qū)е逻\(yùn)算一次FFT時(shí)間稍有延遲，另外系統(tǒng)的功能有點(diǎn)