單片機音樂頻譜

.PAGE....題目：單片機LED音樂頻譜的設計院〔系：專業(yè)：學生__學號：指導2011年07月07日..摘要該系統(tǒng)采用增強型8051單片機STC12C5A60S2為主控制器,通過單片機內(nèi)置的ADC對音頻信號進行采樣、量化,然后通過快速傅里葉變換運算,在頻域計算出音頻信號各個頻率分量的功率,最后通過雙基色LED單元板進行顯示。該方案具有電路結構簡潔,開發(fā)、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點。關鍵詞：單片機；傅里葉；LED;目錄1.引言…………………………12.方案設計……………………22．1設計要求……………22．2總體方案設計………………………32．3總體方案組成………………………63.系統(tǒng)電路設計………………63．1單片機主控電路設計主控制器………63．2LED顯示模塊電路設計………………74.軟件設計………………………84．1軟件設計流程圖………………………85．系統(tǒng)的測試…………………86．結論…………………………97．參考文獻……………………118.附錄…………………………141.引言本文介紹的音樂頻譜顯示器可對mp3、手機、計算機輸出的音樂信號進行實時的頻譜顯示。系統(tǒng)采用增強型8051單片機STC12C5A60S2為主控制芯片,通過單片機內(nèi)置的ADC對音頻信號進行采樣,把連續(xù)信號離散化,然后通過快速傅里葉變換〔FFT運算,在頻域計算出音頻信號各個頻率分量的功率,最后通過雙基色LED單元板進行顯示。在顯示的頻率點不多的情況下,本系統(tǒng)比采用DSP或ARM作為主控制芯片的設計方案具有電路結構簡潔,開發(fā)、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點。2.方案設計2.1設計要求單片機自帶AD轉換,這樣省去外圍AD電路。控制LED隨著音樂跳動,需要理解傅里葉原理。2.2總體方案設計經(jīng)分析,將系統(tǒng)分為兩個部分,一個是由單片機組成的主控。另一部分是LED顯示部分,單片機對接收到的音頻進行處理經(jīng)過傅里葉換算后在LED顯示,5V穩(wěn)壓電源給各個部分供電。該系統(tǒng)實現(xiàn)的方法有很多種,下面將列出大家最經(jīng)常用到的實現(xiàn)方案。系統(tǒng)框圖如圖1所示顯示電路單片機顯示電路單片機電源電源音頻信號音頻信號圖1音樂頻譜總體系統(tǒng)框圖該系統(tǒng)由音頻信號預處理電路、單片機STC12C5A60S2控制電路、LED頻譜顯示電路等部分組成。圖l為系統(tǒng)整體設計原理框圖。圖1系統(tǒng)整體設計原理框圖系統(tǒng)各組部分的功能：〔1音頻信號預處理電路主要對輸入的音頻進行電壓放大和電平提升?！?單片機STC12C5A60S2控制電路采用內(nèi)置的ADC對音頻信號進行采樣量化,然后對量化后的音頻數(shù)據(jù)采用FFT算法計算其頻譜值,再將各頻譜值進行32級量化?！?LED頻譜顯示電路在單片機的控制下,負責將FFT計算得到的音頻信號的各個頻點的大小進行直觀顯示。1.音頻信號預處理電路圖2音頻信號預處理電路音頻信號預處理電路見圖2所示,對輸入的音頻進行電壓放大和電平提升。手機、計算機輸出的音頻信號Vin經(jīng)過RP1進行電壓調(diào)節(jié)后,經(jīng)集成運放LMV358反相放大10倍〔Av=-R3/R2=-10,提高系統(tǒng)的靈敏度。選用單電源供電的運放LMV358,一方面可以簡化系統(tǒng)電源電路的設計,直接采用系統(tǒng)的+5V供電即可;另一方面其輸出端靜態(tài)電壓為VCC/2,即2.5V。放大后的音頻信號和這2.5V疊加后變?yōu)橹绷麟妷盒盘?滿足后面單片機內(nèi)置的ADC對輸入電壓量程的要求。另外,LMV358為軌到軌輸出運放,它可在+5V單電源供電條件下仍具有較大的動態(tài)輸出范圍。2.單片機STC12C5A60S2控制電路STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的新一代單時鐘/機器周期〔1T8051單片機,具有高速、低功耗及超強抗干擾等特點,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍;內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換〔250K/S等資源[1]。特別是它帶硬件乘法/除法指令,使乘法指令執(zhí)行時間從傳統(tǒng)8051的48個晶振周期減少到4個晶振周期,使需要大量乘法運算的FFT運算速度得到大幅度提高。在本系統(tǒng)中,STC12C5A60S2單片機負責完成對音頻信號進行A/D變換,然后采用FFT算法計算音頻信號頻譜,并將計算結果輸出到LED頻譜顯示電路?！?音頻信號的A/D變換根據(jù)香農(nóng)采樣定理,一般采樣頻率至少應為所采樣音頻信號最高頻率的2倍。由于人耳能夠感受的頻率為20Hz-20kHz,所以理論上采樣頻率最高取40kHz。本設計采用單片機STC12C5A60S2內(nèi)置的ADC對音頻信號進行采樣、量化。STC12C5A60S2單片機的A/D轉換口在P1口〔P1.0-P1.7,有8路10位的高速ADC,其輸入電壓量程為0-Vcc,轉換速度可通過ADC_CONTR特殊功能寄存器的SPEED1,SPEED0位進行控制,速度最快可設置為每90個時鐘周期轉換一次。在外接晶振為24MHz時,ADC的轉換速度可達到330KHZ,完全可滿足對音頻信號的采樣需要?！?音頻信號頻譜值的計算我們采用快速傅里葉算法〔FFT來計算音頻信號的頻譜值。根據(jù)FFT運算規(guī)律,如ADC以fs的采樣頻率取N個采樣點,經(jīng)過FFT運算之后,就可以得到N個點的復數(shù)序列。通常為了方便進行FFT運算,通常N取2的整數(shù)次方：N=2L〔L為正整數(shù)。這N個點的FFT結果,每一個點就對應著原始信號的一個頻率點,即第n點所表示的頻率為f=n×fs/N,n=0,1,…,〔N-1;該點的模值除以N/2就是對應該頻率下原始信號的幅度〔對于第1個點則是除以N;該點的相位即是對應該頻率下原始信號的相位。由于FFT結果的對稱性,通常只使用FFT運算后的前N/2個點的數(shù)值。本系統(tǒng)每隔10ms采樣一次128個點,經(jīng)過FFT運算后將得到128個頻率點。由于FFT結果的對稱性,我們選取前64個點進行顯示?，F(xiàn)在FFT算法已發(fā)展出多種形式,本系統(tǒng)采用按時間抽選〔DIT的基-2FFT算法,這種算法程序相對較簡單,節(jié)省存儲單元,運行效率較高,比較適合用單片機編程實現(xiàn)。DIT基-2FFT算法主要由倒位序運算和多級蝶形運算實現(xiàn)。a.倒位序運算的實現(xiàn)DIT基-2FFT算法通常將原始數(shù)據(jù)序列倒位序存儲,運算后的結果則按正常順序輸出。一般的數(shù)字信號處理的教材都介紹雷德〔Rader算法,通過"反向進位加法"將原始數(shù)據(jù)序列進行倒位序存儲[2]。雷德算法的靈活性較大,但在本系統(tǒng)中,參與運算的數(shù)據(jù)點數(shù)只有128個,通過預先編制倒位序查詢表,采用查表方式實現(xiàn)倒位序操作速度會更快。b.蝶形運算的實現(xiàn)根據(jù)DIT基-2FFT算法原理,N點FFT運算由log2N級,每級N/2個蝶形運算,共〔N/2log2N個蝶形運算構成。每個蝶形運算結構見圖3所示[2]。圖3按時間抽選蝶形運算結構蝶形運算結構圖中,m表示第m級的蝶形運算,k為蝶形運算第一節(jié)點所在行數(shù),b為蝶形運算兩節(jié)點距離,b=2m-1,WNr為旋轉因子,WNr=cos〔2πr/N-jsin〔2πr/N。每個蝶形結構完成下述基本迭代運算[2]：設Xm=Rm+jIm,將式〔1轉變?yōu)閷嵅亢吞摬康谋硎拘问?得到：由上面式〔1、式〔2可見,一個蝶形運算需要一次復數(shù)乘法Xm-1〔k+bWNr及兩次復數(shù)加〔減法。在單片機系統(tǒng)中編程實現(xiàn)時,需把復數(shù)運算轉變?yōu)閷崝?shù)運算。同理,將式〔2轉變?yōu)椋簩in、cos函數(shù)做成表格sin_tab[128]、cos_tab[128],直接查表可提高運算速度。3.頻譜值的顯示系統(tǒng)中采用5*11個不同顏色的草帽LED進行顯示,每列顯示音頻信號的一個頻率點,每列LED點亮的高度表示該頻率點幅度的大小。整個顯示板一共有5列,工作的時候,可以看到每列根據(jù)頻率幅度的大小在跳動。2.3整體系統(tǒng)組成本系統(tǒng)硬件部分由單片機主控電路、LED顯示部分、音頻采集等部分組成,其中單片機主控電路有外接晶振,電源供電電路阻等部分組成。軟件部分詳細見下文。單片機全系統(tǒng)如下圖2所示。3.系統(tǒng)電路設計3.1單片機主控電路設計單片機主控模塊包括了振落電路、音頻采集電路,同時接入了各個模塊的接口,保證了整個系統(tǒng)的靈活性。單片機是整個系統(tǒng)的控制中樞,它指揮外圍器件協(xié)調(diào)工作,從而完成特定的功能。硬件實現(xiàn)上采用模塊化設計,每一模塊只實現(xiàn)一個特定功能,最后再將各個模塊搭接在一起。這種設計方法可以降低系統(tǒng)設計的復雜性?？刂齐娐返暮诵钠骷怯擅绹鳤tmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機,屬于MCS-51系列。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器,采用的工藝是Atmel公司的高密度非易失存儲器技術；片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器；在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案；價格低廉、性能可靠、抗干擾能力強。因此廣泛應用于工業(yè)控制和嵌入式系統(tǒng)中。單片機主控電路原理圖如下所示：圖4.1單片機主控電路原理圖3.2LED顯示模塊電路設計4.軟件設計4.1軟件設計流程圖FFT倒序流程圖FFT計算流程圖5.系統(tǒng)測試制作的過程中首先遇到的問題是LED如何組裝,經(jīng)過查閱資料發(fā)現(xiàn),可以利用LED的管腳互相按照電路圖連接起來,這個時候主要是利用萬用表來測試,LED燈到底有無壞掉的。通電后,在無音頻輸入時,LED應該無閃爍跳動現(xiàn)象。在制作完成的時候,發(fā)現(xiàn)LED燈閃爍,這個時候,在音頻輸入端接入了47p的電容,這樣就解決了這個問題。6.結論本系統(tǒng)采用增強型8051單片機STC12C5A60S2實現(xiàn)音樂頻譜顯示,該方案硬件電路設計簡單、成本低,并具有較高的實用價值。本方案是通過ADC采樣輸入的音頻信號,ADC采樣完成以后,將數(shù)據(jù)進行倒序排列并進行FFT運算,結果通過TFT液晶顯示出來。由于采用的處理器的處理能力的原因,不能做到很高的采樣頻率和很精細的頻率分辨率,要提高系統(tǒng)的頻率分辨率,就需要增加采樣點數(shù)?？梢越柚鶳C的強大處理能力,將采樣的數(shù)據(jù)通過預留的串口傳送給PC,在PC上完成FFT運算以及顯示,這就是虛擬儀器的方式,實際工作中應用前景也非常大。謝辭感謝老師對我們的指導。完成了這個實訓任務,雖然結果差強人意,但是還是有進步的,有收獲的。希望以后在學習生活中能繼續(xù)好好學習。7.參考文獻[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[M].2010.[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程〔第二版[M].北京：清華大學出版社,2001.[3]靳桅,等.基于51系列單片機的LED顯示屏開關技術〔第2版[M].北京：北京航空航天大學出版社,2011.作者簡介：吳永德〔1980―,男,講師,從事電子技術專業(yè)教學及研究。羅萍〔1979―,女,講師,從事計算機技術專業(yè)教學及研究。附錄：電路圖：程序:#include<stc12c5a60s2.h>//"stc12c5620ad.h"#include<intrins.h>#defineLongToBin<n><<<n>>21>&0x80>|<<n>>18>&0x40>|<<n>>15>&0x20>|<<n>>12>&0x10>|<<n>>9>&0x08>|<<n>>6>&0x04>|<<n>>3>&0x02>|<<n>&0x01>>#defineBIN<n>LongToBin<0x##n##>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineSAMPLE_NUM64#defineNUM_2_LOG6#defineFFT_OUT_MIN3ucharcodeBRTable[SAMPLE_NUM]={0,32,16,48,8,40,24,56,4,36,20,52,12,44,28,60,2,34,18,50,10,42,26,58,6,38,22,54,14,46,30,62,1,33,17,49,9,41,25,57,5,37,21,53,13,45,29,61,3,35,19,51,11,43,27,59,7,39,23,55,15,47,31,63};charcodesin_tabb[SAMPLE_NUM]={0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126,127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-12};charcodecos_tabb[SAMPLE_NUM]={127,126,125,122,117,112,106,98,90,81,71,60,49,37,25,12,0,-12,-25,-37,-49,-60,-71,-81,-90,-98,-106,-112,-117,-122,-125,-126,-127,-126,-125,-122,-117,-112,-106,-98,-90,-81,-71,-60,-49,-37,-25,-12,0,12,25,37,49,60,71,81,90,98,106,112,117,122,125,126};uchara[21];ucharkeep,keepnum,anum,timernum,timernum2,lednum3,Ltime;//用于分離/*加入數(shù)組用于顯示相應led燈數(shù)目*/ucharlednum[]={0x00,0x01,0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x3f,0x7f,0xff};//0-7的顯示數(shù)組P2組控制intxdataFftReal[SAMPLE_NUM];intxdataFftImage[SAMPLE_NUM];sbitp30=P3^0;sbitp31=P3^1;sbitp32=P3^2;sbitp33=P3^3;sbitp34=P3^4;sbitp35=P3^5;//9-11的led控制sbitp36=P3^6;sbitp37=P3^7;voidtimerinit<>//定時器初始化函數(shù){ 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